材料科学家揭示了隐藏模式的力量

时间：2021-09-30 14:25:04 来源：

固体材料之间的界面是具有复杂的内部结构的表面（左侧示出）。要控制该结构，并将其用于特定应用程序，研究人员将其模拟了一种简化的方式（如右图所示）。图像：NIAZ ABDOLRAHIM和JOSE-LUIS OLIVARES / MIT

麻省理工学院的材料科学家已经开始探索材料内部内部的图案化表面的影响，揭示内部图案的控制可以导致所得材料性能的显着改善。

图案化表面是寻求诱导呼吸水或粘附在其他东西的表面的研究人员之间的愤怒，或者改变材料的电气性质。

现在，麻省理工学院的材料科学家已经增加了一种新的皱纹来研究表面的图案：虽然大多数研究专注于材料外表面的模式，Michael Demkowicz和他的团队在MIT的材料科学和工程系（DMSE）中已经开始探讨了材料深度在材料中的图案化表面的影响 - 具体而言，在层之间的界面处结晶材料。

他们的结果在科学报告中发表，表明这种内部图案的控制可以导致所得材料性能的显着改善。

Demkowicz解释说，许多研究旨在创造分层复合材料，具有所需的强度，灵活性或抗振动，温度变化或辐射。但实际上控制了两个材料在复合材料中相遇的表面是一个棘手的过程。

“人们不会将它们视为表面，”DMSE副教授Demkowicz说。“如果他们这样做，他们将其视为均匀的表面，但事实证明，大多数接口并不均匀。”

为了控制这些材料的性质，Demkowicz说，必须了解和引导这些不均匀的接口。他和他的团队已经拍摄了用于描述表面的平均属性的经典方程，并改编它们来改变这些表面的变化“位置通过位置。这并不容易进行实验，但我们可以直接在计算机模拟中进行。“

他说，在这些接口上分布在这些接口中的缺陷或变体如何分配缺陷或变体的能力，这对于一系列应用程序来说是有用的。例如，在融合电力反应堆内壁上使用的材料中，这种图案可以在极端条件下产生耐久性的大差异。

由于这些反应器中的金属壁被α粒子轰击 - 氦原子的核 - 从融合反应中，这些颗粒嵌入自己并形成微小的氦气泡，随着时间的推移可以削弱材料并导致它失败。

“这是极端的极端环境，”Demkowicz说。但是，通过控制材料内的图案，使得气泡排列并形成通道，他说，氦气可以简单地漫射而不是积累。“如果我们成功地这样做，要为氦逃脱生产途径，它可能是巨大的，”他说。

“通过利用内部结构作为模板，与人们对曲面有什么类似，我们可以制作泡沫形式的频道，”Demkowicz增加。他说，相同的原则可以应用于工程材料的材料的性质，例如控制音源的振动或声音 - 通过晶体结构的振动，这在热电装置的生产中可能是重要的。类似地，在材料内的扩散途径的创建有助于提高锂离子电池和燃料电池的装置的效率。

“材料的机械性能也取决于内部结构，因此您可以使它们强大或弱，”Demkowicz通过控制这些接口来说。虽然材料通常用于力量，但有些应用程序在其中“你想要一些容易在接缝处的东西”，而他说。

佐治亚理工学院研究所的执行董事David L. McDowell，他不参与这项工作，说它“令人兴奋的是，它提供了利用延长缺陷的实用减少阶段，影响和裁缝性能和材料界面的响应。界面设计中的这些高吞吐量进展是实现美国材料基因组倡议的愿景的关键组成部分，在一半的时间内开发新的和改进的材料和一半的成本。“

研究团队还包括Postdocs Aurelien Vattre（现在在法国原子能和替代方案委员会），NIAZ ABDOLRAHIM和KEDARNATH KOLLURI。这项工作得到了美国能源部和国家科学基金会的支持。

出版物：A.J.Vattré等，“使用缩小订单模型的图案接口的计算设计”，科学报告4，物品编号：6231; DOI：10.1038 / srep06231

图像：NIAZ ABDOLRAHIM和JOSE-LUIS OLIVARES / MIT

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