Badanie ujawnia wpływ granic ziaren na materiały, pokazując, jak poziom żelaza zmienia struktury ikozaedryczne i wpływa na właściwości materiałów.
Za pomocą mikroskopii i symulacji badacze starają się projektować materiały o zwiększonej trwałości.
Granice ziaren i wydajność materiału
Większość materiałów technologicznych ma budowę polikrystaliczną, co oznacza, że składają się z wielu kryształów, których atomy są ułożone w regularną siatkę. Kryształy te nie są ułożone w tym samym kierunku w całym materiale, a granice między nimi nazywane są granicami ziaren.
„Te granice ziaren mają ogromny wpływ na trwałość i ogólną wydajność materiału” – wyjaśnia dr Vivek Devulapalli, który przeprowadził prace mikroskopowe na potrzeby badania. Dodaje: „Ale mamy bardzo ograniczoną wiedzę, co się dzieje, gdy pierwiastki segregują do granic ziaren i jak wpływają one na właściwości materiału”.
Zaawansowane techniki analizy materiałów
Przełomem w tych badaniach była możliwość obserwacji i modelowania tych struktur na poziomie atomowym. Łącząc wysokiej rozdzielczości skaningową transmisyjną mikroskopię elektronową z zaawansowanymi symulacjami komputerowymi, badacze mogli badać granice ziaren z niespotykaną dotąd szczegółowością. Nowo opracowany algorytm przewidywania dokładnie odtworzył zaobserwowane struktury granic ziaren, umożliwiając naukowcom skuteczniejszą ich analizę.
„Nasze symulacje pokazują, że przy różnej zawartości żelaza zawsze znajdujemy struktury klatkowe jako podstawowe elementy składowe różnych faz granicznych ziaren. W miarę wzrostu poziomu żelaza na granicy ziaren pojawia się więcej jednostek dwudziestościennych, które ostatecznie ulegają aglomeracji” – wyjaśnia dr Enze Chen z Uniwersytetu Stanforda. W tym kontekście dwudziestościan jest kształtem geometrycznym z 12 wierzchołkami lub punktami zajmowanymi przez atomy i 20 ścianami.
„Zidentyfikowaliśmy ponad pięć odrębnych struktur lub faz granic ziaren na tej samej granicy, wszystkie składające się z różnych układów tych samych dwudziestościennych jednostek klatkowych” – dodaje dr Timofey Frolov, który kierował pracami obliczeniowymi w ramach badania.
Wgląd w struktury ikozaedryczne
Bliższa inspekcja struktur klatkowych ujawniła, że atomy przyjmują układ ikozaedryczny, w którym atomy żelaza znajdują się w środku dwudziestościanu, a atomy tytanu zajmują jego wierzchołki.
„Klatki dwudziestościenne umożliwiają gęste upakowanie atomów żelaza, a ponieważ mogą tworzyć aperiodyczne skupiska, na granicy ziaren może zmieścić się ponad dwa do trzech razy większa ilość żelaza” – wyjaśnia Vivek Devulapalli.
„Wygląda na to, że żelazo jest uwięzione w quasikrystalicznych fazach granicznych ziaren” – dodaje Chen.
„Przypisuje się to właściwościom ikozaedrycznych klatek” – mówi Liebscher, „a teraz musimy znaleźć sposoby na zbadanie, w jaki sposób wpływają one na właściwości powierzchni styku, a tym samym na zachowanie materiału”.
Odkrywanie projektowania materiałów poprzez fazy graniczne ziaren
Zrozumienie i kontrolowanie tworzenia ikozaedrycznych faz granicznych ziaren o różnych strukturach i właściwościach może potencjalnie zostać wykorzystane do dostosowania właściwości materiałów. Naukowcy chcą teraz systematycznie badać, w jaki sposób te nowe stany graniczne ziaren można wykorzystać do dostrojenia zachowania materiału, dostosowania określonej funkcjonalności materiału i zwiększenia odporności materiałów na procesy degradacji.
Odniesienie: „Topologiczne przejścia granic ziaren” autorstwa Viveka Devulapalli, Enze Chena, Tobiasa Brinka, Timofeya Frolova i Christiana H. Liebschera, 24 października 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adq4147
