«Мы знали, что эти границы зерен влияют на характеристики материала в течение многих десятилетий», — говорит Срикант Патала, автор статьи, посвященной этой работе, и доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина. «Но было чрезвычайно сложно понять, как эти дефекты выглядят на атомарном уровне, и, следовательно, понять, как эти структурные неоднородности влияют на прочность, жесткость, пластичность материала и так далее.«Теперь у нас есть инструмент, который позволяет нам увидеть и действительно понять, как на самом деле выглядят эти неупорядоченные атомные структуры — и это большой шаг к точному выяснению того, что происходит», — говорит Патала.Большинство материалов имеют определенную атомную структуру, которая довольно регулярна. Например, алюминий имеет кубическую структуру с атомами, которые выстраиваются в длинные цепочки кубов, тогда как титан образует то, что в основном представляет собой стопки шестиугольников.
Но когда встречаются два материала, например, в металлическом сплаве, эти аккуратные организованные структуры сталкиваются друг с другом, создавая неупорядоченную границу зерен.Модель, разработанная исследовательской группой Паталы, находит неправильные трехмерные формы в границах зерен, классифицирует их, а затем определяет образцы этих неправильных форм.«Достижения в области микроскопии могут помочь нам получить изображения того, как атомы расположены на границах зерен, но тогда мы действительно не знаем, на что мы смотрим — вы можете соединить точки любым способом», — говорит Патала. «Наш инструмент помогает различать геометрические узоры в атомном ландшафте, которые могут казаться хаотичными.
«Теперь, когда эти закономерности можно идентифицировать, следующим шагом для вычислительных исследователей — таких как я — будет работа с экспериментальными исследователями, чтобы определить, как эти образцы влияют на свойства материала», — говорит Патала.Как только влияние рисунков будет хорошо изучено, эту информацию можно использовать для лучшего определения сильных и слабых сторон определенных типов границ зерен, ускоряя разработку новых сплавов или других материалов.
Инструмент, называемый моделью многогранных единиц, может использоваться для моделирования границ зерен любого материала, в котором притяжение между атомами регулируется исключительно расстоянием между атомами, например, металлы и ионные твердые тела, включая некоторую керамику. Однако этот подход не работает для материалов, таких как углерод, которые образуют так называемые направленные связи.
«В настоящее время мы работаем над тем, чтобы сделать модель многогранных единиц общедоступной с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом», — говорит Патала. «Мы планируем выпустить его к концу года, и, надеюсь, раньше».