Метод микроскопии раскрывает «материальный геном», открывая возможности для дизайна следующего поколения

Новый метод микроскопии позволил исследователям обнаружить крошечные изменения в архитектуре кристаллических материалов на атомном уровне, таких как современные стали для корпусов кораблей и кремний, изготовленный по индивидуальному заказу для электроники. Этот метод может помочь нам лучше понять фундаментальные причины свойств и поведения материалов.

В статье опубликовано сегодня в Натуральные материалыИсследователи из Школы аэрокосмической, механической и мехатроники Сиднейского университета представили новый способ расшифровки атомных связей внутри материалов.

Это достижение может способствовать разработке более прочных и легких сплавов для аэрокосмической промышленности, полупроводников нового поколения для электроники и улучшенных магнитов для электродвигателей. Это также может позволить создавать устойчивые, эффективные и прибыльные продукты.

Исследование, проведенное вице-канцлером Сиднейского университета (исследовательская инфраструктура) профессором Саймоном Рингером, использовало возможности атомно-зондовой томографии (APT), чтобы разгадать тонкости ближнего порядка (SRO). Процесс SRO необходим для понимания локальной атомной среды, необходимой для разработки инновационных материалов, которые могут стать основой нового поколения сплавов и полупроводников.

SRO иногда сравнивают с «материальным геномом», то есть расположением или конфигурацией атомов внутри кристалла. Это явление важно, поскольку различное локальное расположение атомов влияет на электронные, магнитные, механические, оптические и другие свойства материалов, которые влияют на безопасность и функциональность линейки продуктов.

До сих пор исследователи изо всех сил пытались измерить и количественно оценить SRO, потому что атомные структуры происходят в таких малых масштабах, что их трудно увидеть с помощью традиционных методов микроскопии.

Новый метод с использованием APT, разработанный командой профессора Рингера, преодолевает эти проблемы, открывая путь к достижениям в области материаловедения, которые могут иметь далеко идущие последствия в производстве сталей для корпусов кораблей и специального кремния для электроники в ряде отраслей.

«Наши исследования представляют собой значительный прогресс в материаловедении», — сказал профессор Рингер, инженер-материаловед Школы аэрокосмической, механической и мехатроники (AMME).

«Помимо кристаллической структуры и симметрии, мы хотели узнать больше об отношениях соседства на атомном уровне внутри кристалла: случайны они или нет? В последнем случае мы хотим оценить это количественно. SRO предоставляет нам эту информацию в деталях, открывая огромные возможности для создания материалов по индивидуальному заказу, атом за атомом, с определенным расположением соседей для достижения желаемых свойств, таких как прочность. »

Исследование было сосредоточено на высокоэнтропийных сплавах, которые перспективны для различных передовых инженерных приложений.

«Эти сплавы являются предметом огромных исследовательских усилий во всем мире из-за интереса к ситуациям, требующим высокой термостойкости, например, в реактивных двигателях и электростанциях, а также для защиты от нейтронного облучения в ядерных реакторах, где необходима защита от радиационного повреждения. — сказал профессор Рингер.

Команда использовала передовые методы анализа данных, используя данные APT, сложного метода визуализации, который визуализирует атомы в 3D, что позволяет команде наблюдать и измерять SRO, сравнивая его эволюцию в сплавах при различных условиях обработки.

Исследование было сосредоточено на наблюдениях за высокоэнтропийным сплавом кобальт-хром-никель и показало, как различные термические обработки могут изменить SRO.

«Это обеспечивает модель для будущих исследований, в которой SRO контролирует критические свойства материала. Многое еще предстоит сделать по различным аспектам анализа СРО. Это сложная проблема, но это важный шаг вперед», — сказал профессор Рингер.

Доктор Мэнвэй Хэ, научный сотрудник Школы аэрокосмической, механической и мехатроники, сказал: «Способность измерять и понимать ближний порядок изменила наш подход к проектированию материалов. Это дает нам возможность по-новому взглянуть на то, как небольшие изменения на уровне атомной архитектуры могут привести к гигантскому скачку в производительности материалов. »

Крайне важно, что исследование улучшает возможности исследователей в вычислительном моделировании, моделировании и, в конечном итоге, прогнозировании поведения материалов, поскольку SRO предоставляет подробный план на атомном уровне.

Доктор Эндрю Брин, старший научный сотрудник, сказал: «Мы продемонстрировали, что существуют режимы, в которых ОРС действительно можно измерить с помощью атомно-зондовой томографии. Мы не только разработали экспериментальный подход и вычислительную структуру для измерения SRO, но также провели анализ чувствительности, который ограничивает точный диапазон обстоятельств, при которых такие измерения действительны, и тех, при которых они недействительны. »

Доктор Уилл Дэвидс, защитивший докторскую диссертацию у профессора Рингера и сейчас работающий в инжиниринговой компании Infravue, сказал: «Это захватывающая разработка, поскольку мы показали, что измерения SRO возможны в многокомпонентных сплавах, что, несомненно, будет полезно для материаловедения и инженерное сообщество. Сообщество теперь захочет узнать, как еще больше расширить измеримый режим ОРС, что открывает большое пространство в этой области исследований. »