迈向缺陷工程：识别原子尺度上的通用结构

发布时间：2023-02-16 19:28:01 栏目：生活

导读 材料在特定条件下的表现如何?以及如何使材料更坚固?这两个问题对于设计用于结构和功能部件及应用的先进材料至关重要。仔细观察潜在的原子结

材料在特定条件下的表现如何?以及如何使材料更坚固?这两个问题对于设计用于结构和功能部件及应用的先进材料至关重要。仔细观察潜在的原子结构，特别是它们的缺陷对于理解和预测材料行为是必要的。



例如，导电性、强度和抗断裂性受晶界的影响。众所周知，晶界尽管是缺陷，但具有自己有序的原子结构，可以影响甚至支配材料性质。然而，他们的实验观察需要精确且耗时的原子分辨率成像，并且仅限于对特定个体病例的调查。

但是这些情况可以推广到所有金属吗?马克斯-普朗克研究所(MPIE)的一个研究小组利用计算机模拟表明，相同的原子排列发生在整组金属中，即FCC金属，从而证明实验中研究的“特殊情况”并不是真正的奇特，而是常见的。

这意味着许多先前的发现可能是通用的，可以快速适应不同的材料，从而节省时间和重复实验的成本。研究人员现在在《物理评论B》杂志上发表了他们的研究结果，他们的文章被选为编辑选择。

通过模拟研究的原子结构的出现规则

材料性能主要受底层微观结构及其缺陷的影响。通过操纵这些缺陷，即所谓的“缺陷工程”，科学家将能够改善材料的体积特性。

研究的前沿已经从微米尺度上的理解这些缺陷扩展到理解最小尺度的结构，即不同缺陷内部原子的顺序。这使得实验具有挑战性。原子结构可以在非常高的分辨率下分辨，但随后样品量变得非常小，样品数量有限。

或者，使用宏观样品，但其内部缺陷的结构仍然未知。例如，如果可以在单个晶界处检测到有趣的现象，我们如何知道样品中的所有晶界是否都表现出相似的结构或行为?

“这就是我们模拟的作用。我们已经从实验观察中知道，某些材料中的某些晶界显示出某些有序的原子结构，这些结构要么是稳定的，要么是亚稳态的。我们的问题是，这些原子结构及其热力学性质在所有金属中的出现是否有规则，“材料界面原子建模小组负责人，该出版物的第一作者Tobias Brink博士说。

研究小组在FCC金属镍，铜，钯，银，金，铝和铅的高通量方法中使用了具有经典原子间势的原子模拟。他们发现了两个用于特殊晶界几何形状的晶界结构家族。

这两个家族存在于所有FCC金属中，可以通过它们的密度和原子排列来区分。科学家们还能够证明，即使使用不包括真实键物理的严重简化模型，这些结构也会出现，这表明这些结构是原子排列几何形状的结果。然而，热力学稳定性仍然特定于材料。

研究人员现在的目标是将他们的发现扩展到合金而不是纯金属。这使得模拟和实验更加复杂，但同时也是理解和调整现实生活中组件中材料的必要步骤，这些组件通常通过合金化来针对其应用量身定制。