Ученые MIT обнаружили «замороженный» атомный порядок в металлах, устойчивый даже после обработки

Неожиданное открытие: порядок в хаосе

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорыв в материаловедении, доказав, что в металлах сохраняются скрытые атомные структуры, которые, вопреки прежним представлениям, не исчезают даже после интенсивных процессов обработки. Десятилетиями научное сообщество полагало, что в ходе производства, включающего деформацию и нагрев, химические элементы в сплавах достигают полной однородности, то есть случайного распределения атомов. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, опровергает это, выявляя, что определенные химические закономерности остаются в материале.

Родриго Фрейтас, ученый с кафедры материаловедения и инженерии MIT, подвел итог открытию, подчеркнув фундаментальный аспект: «Вывод таков: полностью хаотизировать расположение атомов в металле невозможно. Не имеет значения, как его обрабатывают. Это первая работа, демонстрирующая эти неравновесные состояния, сохраняющиеся в металле».

Моделирование производства: от деформации к открытиям

Исследование началось с попытки определить точку, после которой химические элементы считаются полностью перемешанными. Ученые сымитировали традиционные этапы производства, например, прокат и деформацию металла с последующим нагревом. Предполагалось, что такие интенсивные процессы должны были разрушить любые первоначальные химические связи и внести полную хаотичность в систему атомов.

«Первым делом мы деформировали кусок металла. Это обычный этап производства: металл прокатывается, деформируется, снова нагревается и деформируется еще немного, чтобы получить нужную структуру. Мы это сделали и отследили химический порядок. Идея заключалась в том, что при деформации материала его химические связи разрушаются, и это хаотизирует систему. Эти интенсивные производственные процессы по сути перемешивают атомы», — объясняет Родриго Фрейтас.

Однако результаты моделирования показали, что сплавы так и не достигали полностью случайного, хаотического состояния, что стало отправной точкой для дальнейшего, более глубокого анализа.

Неравновесные структуры и роль дефектов

Для объяснения этого феномена команда MIT разработала новые вычислительные инструменты, включая высокоточные модели машинного обучения, для отслеживания миллионов атомов в условиях, приближенных к реальному производству. Они обнаружили ранее невидимые химические структуры, получившие название «состояния, далекие от равновесия». Эти структуры проявлялись даже при температурах выше ожидаемых.

Ключ к пониманию этого порядка был найден в дефектах кристаллической решетки, известных как дислокации, которые можно представить как трехмерные «каракули» в структуре. Прежде считалось, что деформация материала полностью разрушает атомный порядок. Однако исследователи выяснили, что дислокации, деформируясь сами, вызывают обмен местами между соседними атомами, но делают это не случайным образом, а следуя определенной закономерности.

Ученые объяснили этот процесс с точки зрения энергии: дислокации движутся по путям с минимальными энергетическими затратами. Если есть выбор, они предпочитают разрывать более слабые химические связи. «Это очень интересно, потому что это неравновесное состояние: оно не встречается в природе в материалах», — отмечает Фрейтас, проводя параллель с живыми организмами, которые также поддерживают свое устойчивое неравновесное состояние.

Перспективы применения: от аэрокосмоса до ядерной энергетики

Обнаруженные «замороженные» атомные узоры могут существенно влиять на эксплуатационные характеристики металлов: механическую прочность, теплоемкость и устойчивость к радиационному повреждению. Исследователи уже создали модель, которая позволяет прогнозировать эти закономерности, и на ее основе разработали карту, связывающую конкретные этапы обработки с формирующимися химическими структурами.

Эта карта открывает новые горизонты для инженеров. По словам Фрейтаса, теперь можно использовать эти закономерности в качестве рычагов управления при проектировании материалов. Это особенно важно для высокотехнологичных отраслей.

• Аэрокосмическая промышленность: Необходимы сверхпрочные сплавы при сохранении низкой плотности. Понимание движения атомов критически важно для создания таких композитов.
• Ядерные реакторы: Устойчивость материалов к радиации напрямую зависит от их внутренней структуры.
• Катализ: Электрохимические процессы, происходящие на поверхности металла, крайне чувствительны к локальному расположению атомов.

Сейчас команда MIT сосредоточена на детальном изучении того, как именно эти конфигурации влияют на измеряемые свойства материалов. Возможность контролировать атомный порядок в процессе производства позволит создавать сплавы с беспрецедентными и точно настроенными характеристиками, которые ранее считались недостижимыми.