金属中的隐藏秩序:MIT发现极端加工后仍存在的原子排列模式

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在材料科学领域,一个长期存在的认知被MIT研究人员彻底颠覆。他们发现,金属中存在一种微妙的化学原子序,即使在极端加工条件下也不会完全消失。这一发现不仅挑战了传统认知,更为金属材料的性能优化开辟了全新路径。

传统认知的颠覆

数十年来,科学家们已知金属合金中存在微妙的化学模式,但普遍认为这些模式要么微不足道,要么会在制造过程中被完全消除。然而,MIT的研究团队证明,即使在常规制造的金属中,这些化学模式依然存在,并解释了这一持久现象背后的物理机制。

"我们的结论是:你永远无法完全随机化金属中的原子,无论你如何加工它,"材料科学与工程系的Rodrigo Freitas副教授表示。"这是第一篇展示金属中保留这些非平衡状态的论文。目前,我们在制造金属时并未控制或关注这种化学序。"

从意外发现到理论构建

Freitas的研究团队始于一个实际问题:在金属加工过程中,化学元素混合的速度有多快?传统观点认为,在制造过程中的某个点,金属的化学成分会因混合而变得完全均匀。通过找到这个点,研究人员认为可以开发一种简单方法来设计具有不同原子序水平的合金。

金属原子排列模拟

计算机模拟显示金属合金中原子(彩色球体)在位错网络(绿色线条)下方以微妙的化学模式排列。这些纠缠的缺陷在加工过程中移动,并帮助创造了MIT团队发现的非平衡原子序。

研究人员使用机器学习技术追踪数百万个原子在模拟金属加工条件下的运动和重新排列。

"我们首先做的是变形一块金属,"Freitas解释道。"这是制造过程中的常见步骤:你轧制金属,使其变形,再次加热,然后稍微再变形一些,这样它就会发展出你想要的结构。我们这样做并跟踪化学序。当时认为,当你变形材料时,其化学键被打破,系统被随机化。这些激烈的制造过程本质上是在洗牌原子。"

然而,研究人员在混合过程中遇到了一个障碍:合金从未达到完全随机状态。这是一个意外,因为没有已知的物理机制可以解释这一结果。

"它指向了金属中的一个新物理现象,"研究者在论文中写道。"这是应用研究导致基础发现的典型案例之一。"

揭示新的物理机制

为了揭示这一新物理机制,研究人员开发了计算工具,包括高保真机器学习模型来捕获原子相互作用,以及新的统计方法来量化化学序如何随时间变化。然后,他们在大规模分子动力学模拟中应用这些工具,跟踪原子在加工过程中的重新排列方式。

研究人员在加工后的金属中发现了一些标准的化学排列,但温度比通常预期的要高。更令人惊讶的是,他们发现了从未在制造过程之外见过的全新化学模式。这是首次观察到此类模式。研究人员将这些模式称为"远离平衡态"。

研究人员还构建了一个能够重现模拟关键特征的简单模型。该模型解释了化学模式如何源于称为位错的缺陷,这些缺陷就像金属内的三维涂鸦。当金属变形时,这些涂鸦会发生扭曲,在此过程中重新排列附近的原子。先前,研究人员认为这种洗牌完全消除了金属中的序,但他们发现位错在某些原子交换中比在其他交换中更偏好,结果不是随机性,而是解释了他们发现的微妙模式。

"这些缺陷具有化学偏好性,指导它们如何移动,"Freitas说。"它们寻找低能量路径,因此,在打破化学键的选择中,它们倾向于打破最弱的键,这并非完全随机。这非常令人兴奋,因为它是一种非平衡态:这不是你会在材料中自然看到的现象。这与我们的身体以非平衡态存在的方式相同。外部的温度总是比我们的身体热或冷,而我们保持那种稳态平衡以维持生命。金属中存在这些状态的原因是:内部向无序的推动力与打破某些总是比其他键更弱的键的这种有序化倾向之间的平衡。"

理论的实际应用

研究人员现在正在探索这些化学模式如何在广泛的制造条件下发展。结果是一张将各种金属加工步骤与金属中不同化学模式联系起来的地图。

迄今为止,这种化学序及其调谐的特性在很大程度上被视为学术课题。有了这张地图,研究人员希望工程师能够开始将这些模式视为设计中的杠杆,可以在生产过程中拉动以获得新特性。

"研究人员一直在研究这些原子排列如何改变金属特性的方式——催化是一个重要方面,"Freitas谈到驱动化学反应的过程时说。"电化学反应发生在金属表面,对局部原子排列非常敏感。还有其他你不会认为会受到这些因素影响的特性。辐射损伤是另一个重要因素。它影响这些材料在核反应堆中的性能。"

研究人员已经告诉Freitas,这篇论文可能有助于解释关于金属特性的其他意外发现,他期待该领域从关于化学序的基础研究转向更多应用工作。

"你可以想到需要非常优化合金的领域,比如航空航天,"Freitas说。"他们关心非常特定的成分。先进制造现在使得通过变形结合通常不会混合的金属成为可能。理解原子在这些过程中实际如何洗牌和混合至关重要,因为这是在保持低密度的同时获得强度的关键。所以,这对他们来说可能是一个巨大的突破。"

这项研究得到了美国空军科学研究办公室、MathWorks和葡萄牙-麻省理工学院的 partially 支持。

未来展望

这一发现为材料科学领域开辟了新的研究方向。传统的材料设计往往关注宏观层面的成分和热处理,而这一研究揭示了微观原子排列对材料性能的关键影响。未来,研究人员可能会开发出更精确的模型,预测特定加工条件下形成的原子排列模式,从而实现对材料性能的精确调控。

在航空航天领域,这一发现可能帮助开发出既轻又强的合金材料;在核能领域,可能有助于开发出具有更高辐射耐受性的材料;在电子领域,可能为半导体材料的性能优化提供新思路。

随着计算能力的提升和机器学习技术的发展,研究人员有望更深入地理解金属中原子排列的复杂性,并将其转化为实际应用。这不仅将推动材料科学的进步,还将对依赖高性能材料的各个产业产生深远影响。