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

Новый метод микроскопии позволил исследователям обнаружить крошечные изменения в архитектуре кристаллических материалов на атомном уровне, например, усовершенствованные стали для корпусов кораблей и специальный кремний для электроники. Этот метод может продвинуть нашу способность понимать фундаментальные истоки свойств и поведения материалов.

В статье опубликовано сегодня в Природные материалыИсследователи из Школы аэрокосмической, машиностроительной и мехатронной инженерии Сиднейского университета представили новый способ расшифровки атомных связей в материалах.

Прорыв может помочь в разработке более прочных и легких сплавов для аэрокосмической промышленности, полупроводников нового поколения для электроники и улучшенных магнитов для электродвигателей. Он также может позволить создавать устойчивые, эффективные и экономичные продукты.

Исследование, проведенное под руководством проректора Сиднейского университета (исследовательская инфраструктура) профессора Саймона Рингера, использовало мощь атомно-зондовой томографии (APT) для раскрытия тонкостей ближнего порядка (SRO). Процесс SRO является ключом к пониманию локальных атомных сред, необходимых для разработки инновационных материалов, которые могли бы лечь в основу нового поколения сплавов и полупроводников.

SRO иногда сравнивают с «геномом материалов», расположением или конфигурацией атомов в кристалле. Это важно, поскольку различные локальные атомные расположения влияют на электронные, магнитные, механические, оптические и другие свойства материалов, которые влияют на безопасность и функциональность ряда продуктов.

До сих пор для исследователей было сложно измерить и количественно оценить SRO, поскольку атомные структуры происходят в настолько малых масштабах, что их трудно увидеть с помощью обычных методов микроскопии.

Новый метод с использованием APT, разработанный командой профессора Рингера, позволяет преодолеть эти проблемы, открывая путь к достижениям в материаловедении, которые могут иметь далеко идущие последствия для сталей для корпусов судов и специального кремния для электроники в различных отраслях промышленности.

«Наше исследование представляет собой значительный прорыв в материаловедении», — сказал профессор Рингер, инженер-материаловед из Школы аэрокосмической, машиностроительной и мехатронной инженерии (AMME).

«Помимо структуры кристалла и симметрии, мы хотели узнать больше о взаимоотношениях соседей в атомном масштабе внутри кристалла — случайны ли они или неслучайны? Если последнее, мы хотим это количественно оценить. SRO предоставляет нам эту информацию в деталях, открывая огромные возможности для материалов, которые проектируются по индивидуальному заказу, атом за атомом, с определенными расположениями соседей для достижения желаемых свойств, таких как прочность».

Исследование было сосредоточено на сплавах с высокой энтропией, которые перспективны для различных современных инженерных приложений.

«Эти сплавы являются предметом огромных исследований во всем мире из-за интереса к их использованию в ситуациях, требующих высокотемпературной прочности, например, в реактивных двигателях и электростанциях, а также для защиты от нейтронного облучения в ядерных реакторах, где необходима защита от радиационного поражения», — сказал профессор Рингер.

Команда использовала передовые методы обработки данных, опираясь на данные APT — сложной технологии визуализации, которая визуализирует атомы в трехмерном пространстве, что позволяет команде наблюдать и измерять SRO, сравнивая его изменения в сплавах при различных условиях обработки.

Исследование было сосредоточено на наблюдениях за высокоэнтропийным сплавом кобальта, хрома и никеля и показало, как различные виды термической обработки могут изменить SRO.

«Это дает шаблон для будущих исследований, в которых SRO контролирует критические свойства материалов. Еще многое предстоит сделать по различным аспектам анализа SRO — это сложная проблема, но это важный шаг вперед», — сказал профессор Рингер.

Доктор Мэнвэй Хэ, научный сотрудник Школы аэрокосмической, машиностроительной и мехатронной инженерии, сказал: «Возможность измерять и понимать ближний порядок изменила наш подход к проектированию материалов. Она дает нам новый взгляд на то, как небольшие изменения на атомном уровне архитектуры могут привести к гигантским скачкам в эксплуатационных характеристиках материалов».

Что особенно важно, исследование расширяет возможности исследователей по компьютерному моделированию, моделированию и, в конечном итоге, прогнозированию поведения материалов, поскольку SRO предоставляет подробную схему в атомном масштабе.

Старший научный сотрудник доктор Эндрю Брин сказал: «Мы продемонстрировали, что существуют режимы, в которых SRO действительно можно измерить с помощью атомно-зондовой томографии. Мы не только стали пионерами экспериментального подхода и вычислительной структуры для измерения SRO, но и провели анализ чувствительности, который ограничивает точный диапазон обстоятельств, при которых такие измерения действительны, а при которых они недействительны».

Доктор Уилл Дэвидс, который закончил докторскую диссертацию у профессора Рингера и теперь работает в инжиниринговой компании Infravue, сказал: «Это захватывающий прогресс, поскольку мы показали, что измерения SRO возможны в многокомпонентных сплавах, что, несомненно, принесет пользу сообществу материаловедения и инженерии. Теперь сообщество захочет узнать, как еще больше расширить измеримый режим SRO, поэтому в этой области исследований открылось большое пространство».