MIT виявив нові хімічні закономірності в металах

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту виявили нову форму хімічного порядку в металах, яка зберігається навіть після екстремальної механічної обробки, відкриваючи нові можливості для регулювання властивостей матеріалів у промисловості.

Команда під керівництвом Родріго Фрейтаса зафіксувала тонкі хімічні патерни, які не зникають після багаторазової деформації та нагрівання металу — процесів, що імітують реальні виробничі умови. Використовуючи молекулярну динаміку та машинне навчання, вчені простежили, як атоми у сплавах перегруповуються, і виявили, що навіть в умовах, які мали б “змішати” метал до повної однорідності, зберігаються впорядковані структури. “Висновок такий: ви ніколи не зможете повністю рандомізувати атоми в металі”, – наголосив Фрейтас.

Ключовою знахідкою стало те, що ці патерни — “далекі від рівноваги стани” — виникають внаслідок руху дефектів, званих дислокаціями, які перемішують атоми в неочікувано впорядкований спосіб. “Ці дефекти мають хімічні вподобання, які визначають, як вони рухаються”, – пояснює Фрейтас. Замість того щоб створити хаос, дислокації вибірково руйнують слабші зв’язки, породжуючи закономірності на атомному рівні.

Це відкриття кидає виклик десятиліттям уявлень про те, що всі атоми можна перемішати довільно в умовах інтенсивної обробки. “Це був один з тих випадків, коли прикладне дослідження призвело до фундаментального відкриття”, – зазначають автори. Результати були опубліковані в журналі Nature Communications.

Практичне значення нового підходу полягає в тому, що інженери тепер можуть використовувати карту хімічних станів, розроблену дослідниками, як інструмент для створення нових матеріалів із заданими властивостями. Наприклад, у аерокосмічній промисловості критично важливо поєднувати міцність і легкість металів. “Розуміння того, як атоми перемішуються під час виробництва, є ключем до досягнення оптимальних механічних властивостей”, – підкреслює Фрейтас.

Крім міцності, ці закономірності впливають на каталітичні властивості, стійкість до радіації та теплопровідність — характеристики, важливі для напівпровідникової галузі та ядерної енергетики. “Це хімічний порядок, який ми раніше не контролювали, але тепер можемо інтегрувати його у виробництво як додатковий рівень регулювання”, — зауважив вчений.

Підхід поєднує високоточні обчислення з реалістичним моделюванням, що відрізняє це дослідження від попередніх теоретичних робіт. “Моя улюблена частина цього проєкту — це те, наскільки неінтуїтивними є результати”, – зізнається Фрейтас. Підтримане Управлінням наукових досліджень ВПС США, дослідження демонструє, як фундаментальна наука може стати основою інженерних проривів.

У перспективі, ці знання можуть перетворити підхід до дизайну матеріалів, надаючи інженерам новий інструмент для регулювання властивостей сплавів на атомному рівні. Це відкриває шлях до створення нових, ефективніших і витриваліших матеріалів для критично важливих технологічних галузей.