Naukowcy z Uniwersytetu w Sydney opracowali nową metodę mikroskopii, która wykorzystuje tomografię z sondą atomową do obserwacji zmian w materiałach w skali atomowej. Postęp ten pogłębia wiedzę na temat właściwości materiałów i może doprowadzić do powstania mocniejszych stopów dla przemysłu lotniczego, wydajniejszych półprzewodników i lepszych magnesów do silników.
Naukowcy z Uniwersytet w Sydney opracowali nową metodę mikroskopii wykorzystującą atom tomografia sondowa w celu zbadania zmian w materiałach na poziomie atomowym, co stanowi obiecujący znaczący postęp w materiałoznawstwie i inżynierii.
Nowa technika mikroskopii umożliwia badaczom obserwację drobnych zmian w strukturze atomowej materiałów krystalicznych, takich jak zaawansowane stale stosowane w przemyśle stoczniowym i niestandardowy krzem do zastosowań elektronicznych. Metoda ta może zwiększyć naszą wiedzę na temat podstawowych źródeł właściwości i zachowań materiałów.
W artykule opublikowanym w Materiały naturynaukowcy z Wydziału Inżynierii Lotniczej, Mechanicznej i Mechatronicznej Uniwersytetu w Sydney wprowadzili nowy sposób dekodowania relacji atomowych w materiałach.
Przełom może pomóc w opracowaniu mocniejszych i lżejszych stopów nowej generacji dla przemysłu lotniczego półprzewodniki do elektroniki i ulepszone magnesy do silników elektrycznych. Mogłoby również umożliwić tworzenie zrównoważonych, wydajnych i opłacalnych produktów.
Zaawansowane techniki tomografii z sondą atomową
W badaniu prowadzonym przez prorektora ds. infrastruktury badawczej Uniwersytetu w Sydney, profesora Simona Ringera, wykorzystano możliwości tomografii z sondą atomową (APT) do poznania zawiłości porządku krótkiego zasięgu (SRO). Proces SRO ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia lokalnych środowisk atomowych niezbędnych do opracowania innowacyjnych materiałów, które mogłyby stanowić podstawę nowej generacji stopów i półprzewodników.
SRO jest czasami porównywane do „genomu materiału”, układu lub konfiguracji atomów w krysztale. Jest to istotne, ponieważ różne lokalne układy atomowe wpływają na właściwości elektroniczne, magnetyczne, mechaniczne, optyczne i inne materiałów, które mają wpływ na bezpieczeństwo i funkcjonalność szeregu produktów.
Symulowane obrazy atomowe 2D z sondy atomowej. Źródło: Uniwersytet w Sydney
Do tej pory pomiar i określenie ilościowe SRO stanowiło dla badaczy wyzwanie, ponieważ układy atomowe występują w skali tak małej, że trudno je dostrzec za pomocą konwencjonalnych technik mikroskopowych.
Nowa metoda wykorzystująca APT, opracowana przez zespół profesora Ringera, pozwala pokonać te wyzwania, torując drogę postępowi w materiałoznawstwie, który może mieć daleko idące konsekwencje w przypadku stali przeznaczonych na kadłuby statków i niestandardowego krzemu do elektroniki w wielu gałęziach przemysłu.
„Nasze badania stanowią znaczący przełom w naukach o materiałach” – powiedział profesor Ringer, inżynier materiałowy w Szkole Inżynierii Lotniczej, Mechanicznej i Mechatronicznej (AMME).
„Poza strukturą i symetrią kryształu chcieliśmy dowiedzieć się więcej o relacjach sąsiedztwa w krysztale na skalę atomową – czy są one przypadkowe, czy nieprzypadkowe? Jeśli to drugie, chcemy to określić ilościowo. SRO szczegółowo przekazuje nam te informacje, otwierając ogromne możliwości w przypadku materiałów projektowanych na zamówienie, atom po atomie, ze specyficznymi układami sąsiedztwa, aby osiągnąć pożądane właściwości, takie jak wytrzymałość.
W badaniu skupiono się na stopach o wysokiej entropii, które są obiecujące w różnych zaawansowanych zastosowaniach inżynieryjnych.
Implikacje i przyszłe badania
„Stopy te są przedmiotem ogromnego wysiłku badawczego na całym świecie ze względu na zainteresowanie ich zastosowaniem w sytuacjach wymagających wytrzymałości w wysokich temperaturach, takich jak silniki odrzutowe i elektrownie, a także do ekranowania promieniowania neutronowego w reaktorach jądrowych, gdzie ochrona przed promieniowaniem neutronowym konieczne są szkody spowodowane promieniowaniem” – stwierdził profesor Ringer.
Zespół wykorzystał zaawansowane techniki analizy danych w oparciu o dane z APT — wyrafinowaną technikę obrazowania, która wizualizuje atomy w 3D, umożliwiając zespołowi obserwację i pomiar SRO, porównując jego zmiany w stopach w różnych warunkach przetwarzania.
Badania skupiały się na obserwacjach wysokiej entropii kobalt-chrom-nikiel stopujawniając, jak różne obróbka cieplna może zmienić SRO.
„To stanowi szablon dla przyszłych badań, w których SRO kontroluje krytyczne właściwości materiału. Jest dużo więcej do zrobienia w różnych aspektach analizy SRO — to trudny problem, ale stanowi to ważny krok naprzód” – powiedział profesor Ringer.
Dr Mengwei He, pracownik naukowy ze stopniem doktora w Szkole Inżynierii Lotniczej, Mechanicznej i Mechatronicznej, powiedział:
„Możliwość pomiaru i zrozumienia porządku krótkiego zasięgu zmieniła nasze podejście do projektowania materiałów. Daje nam to nowe spojrzenie na to, jak małe zmiany na poziomie atomowym mogą prowadzić do gigantycznych skoków w wydajności materiałów”.
Co najważniejsze, badanie zwiększa możliwości badaczy w zakresie symulacji obliczeniowej, modelowania i ostatecznie przewidywania zachowania materiałów, ponieważ SRO zapewnia szczegółowy plan w skali atomowej.
Starszy stażysta podoktorski, dr Andrew Breen, powiedział: „Wykazaliśmy, że istnieją reżimy, w których SRO naprawdę można zmierzyć za pomocą tomografii z sondą atomową. Nie tylko jesteśmy pionierami eksperymentalnego podejścia i ram obliczeniowych do pomiaru SRO, ale opracowaliśmy analizę wrażliwości, która wyznacza dokładny zakres okoliczności, w których takie pomiary są ważne i gdzie nie są ważne.
Doktor Will Davids, który obronił doktorat u profesora Ringera, a obecnie pracuje dla firmy inżynieryjnej Infravue, powiedział: „To ekscytujący postęp, ponieważ pokazaliśmy, że pomiary SRO są możliwe w stopach wieloskładnikowych, co bez wątpienia będzie korzystne dla materiałów społeczność naukowo-inżynierska. Społeczność będzie teraz chciała dowiedzieć się, jak dalej rozszerzać mierzalny reżim SRO, więc właśnie otworzyła się duża przestrzeń w tej dziedzinie badawczej.
Odniesienie: „Ilościowe uporządkowanie krótkiego zasięgu za pomocą tomografii atomowej” autorstwa Mengwei He, Williama J. Davidsa, Andrew J. Breena i Simona P. Ringera, 2 lipca 2024 r., Materiały natury.
DOI: 10.1038/s41563-024-01912-1
Badania były wspierane przez program Discovery Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych (ARC). Zespół docenia także wsparcie z programu Australijsko-Amerykańskiej Multidyscyplinarnej Inicjatywy Badawczej na Uniwersytecie (AUSMURI), wspieranego przez rząd Australii. Zespół dziękuje za wsparcie techniczne i naukowe eksperymentów prowadzonych w następujących ośrodkach badawczych: Sydney Microscopy and Microanalytics (SMM), Sydney Analytical, Sydney Informatics Hub i Sydney Manufacturing Hub. SMM to podstawowy węzeł Microscopy Australia, krajowego ośrodka mikroskopii wspieranego przez NCRIS. Wszyscy ten zespół badawczy są członkami Szkoły Inżynierii Lotniczej, Mechanicznej i Mechatronicznej na Wydziale Inżynierii oraz członkami Australijskiego Centrum Mikroskopii i Mikroanalizy. Z tą pracą częściowo wiąże się wniosek patentowy złożony przez profesora Ringera.
