Nanospiraler, der dannes, når smeltede metaller størkner, kan være nøglen til nye materialer - og usynlighed

Mennesker har kølet metalblandinger fra flydende til fast stof i tusinder af år. Men overraskende nok, Man ved ikke meget om præcis, hvad der sker under størkningsprocessen. Særligt forvirrende er størkningen af ​​eutektik, som er blandinger af to eller flere faste faser.

Ashwin Shahani, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved University of Michigan, arbejder på at løse mysteriet om eutektisk størkning, og hans forskning har afsløret et indviklet og smukt univers af nanoskala stænger, plader og spiraler, der dannes spontant i kølende metallegeringer.

Vi sad for nylig for at tale med ham om hans seneste avis, "Flertrinskrystallisering af selvorganiseret spiraleutektik, " og hvordan det kunne føre til en ny generation af letvægtslegeringer og optiske produkter med egenskaber, der er bedre end monolitiske materialer.

Hvad motiverede dig til at studere metalstørkning?

Jeg synes, det er en af ​​naturens mest bemærkelsesværdige bedrifter. Hvordan kan disse komplicerede mønstre dannes spontant fra en forstyrret væske? Hvorfor vælger naturen et mønster eller en konfiguration frem for en anden? Meget af det er bare medfødt nysgerrighed og glæden ved at dele det med mine elever.

Hvorfor er det vigtigt at forstå, hvordan disse nanoskalastrukturer dannes?

Et materiales nanoskalastruktur ændrer dets egenskaber. Så hvis vi kan forstå, hvorfor en given struktur dannes, vi kan designe en fremstillingsproces for at genskabe den, eller endda ændre det til at indbygge specifikke ejendomme, som vi ønsker. Vi kan lave materialer, der er lettere, eller stærkere, eller som bøjer lys på en bestemt måde, for eksempel.

Hvad kunne de nye materialer bruges til?

Et materiale, der bøjer lys på en bestemt måde, kunne bruges til at lave en usynlighedsbelægning. Du kunne konstruere en enkelt metalplade med egenskaber, der adskiller sig langs overfladen - for eksempel en flyvinge, der er stærkere nogle steder og lettere andre. Du kunne lave lettere og mere brændstofeffektive bilkomponenter. Mulighederne er næsten uendelige.

Hvorfor kan vi ikke fremstille disse materialer ved hjælp af eksisterende fremstillingsmetoder?

Vi kan, men det er ekstremt svært og tidskrævende. Hvis vi ønsker at fremstille et nanoskala spiralmønster, for eksempel, vi skal bruge litografi til at printe hver lille spiral. Det er ikke praktisk til storskalaproduktion. Men hvad nu hvis du kunne få disse spiraler til at samle sig selv bare ved at afkøle væsken anderledes eller lidt ændre dens blanding af metaller? Det ville gøre processen meget hurtigere og mere skalerbar.

Hvis mennesker har brugt størkning så længe, hvorfor er der ikke nogen der allerede har fundet ud af det?

For i fortiden, denne form for forskning var afhængig af at opdele et materiale, der allerede er størknet, og se på det under mikroskopet. Og det giver dig et meget begrænset overblik over, hvordan størkning sker.

Vi bruger en unik kombination af multiskala og multimodale billeddannelsesteknologier til at skabe et 3D-billede af, hvad der sker i realtid under størkningsprocessen. Det går ud på at kombinere en masse forskellige billeddannelsesteknikker, der kan give os et sammenhængende billede fra skalaen af ​​mikrometer og helt ned til de enkelte atomer.

Hvad er nogle af udfordringerne ved at kombinere alle disse teknologier?

En af de største udfordringer er, at højopløselige 3D-billeder bare er så dataintensive. Det gør dette til en stor dataudfordring såvel som en materialevidenskabelig udfordring. Naturligvis, bare at have et højt niveau af computerkraft er vigtigt, men vi har også introduceret nogle nye strategier. For eksempel, vi er begyndt at bruge maskinlæringsalgoritmer til at finkæmme vores data og finde ting, der er bemærkelsesværdige.

Hvad er næste skridt for denne forskning?

De fleste ingeniørmaterialer består ikke kun af to komponenter, men en cocktail af elementer. Så lige nu, vi ser på, hvordan kemi påvirker størkningsprocessen. Hvis jeg tilføjer en lille mængde af et andet metal til den smeltede blanding, hvordan ændrer det de nanoskalastrukturer, der dannes? Det er endnu et skridt hen imod at forstå og i sidste ende kontrollere disse strukturer.