Кристаллизация предсказывает образование металлического стекла: исследования могут проложить путь к новым прочным проводящим материалам.

Металлические стекла иногда образуются, когда расплавленный металл охлаждается слишком быстро, чтобы его атомы располагались в структурированном кристаллическом порядке. В результате получается материал с множеством желаемых свойств. Поскольку они являются металлами, металлические стекла обладают высокой твердостью и ударной вязкостью, а также хорошей теплопроводностью. Поскольку их структура неорганизована, их легко обрабатывать и формировать, а также трудно поддаются коррозии.

Благодаря этим характеристикам металлические стекла используются в широком спектре приложений, включая электротехнику, ядерную реакторную технику, медицинскую промышленность, конструкционное усиление и бритвенные лезвия.Хотя металлическое стекло существует уже несколько десятилетий, ученые не знают, из каких комбинаций элементов оно будет образовано. На сегодняшний день единственный способ придумать новые металлические очки — это приготовить новые рецепты в лаборатории, руководствуясь лишь несколькими практическими правилами и надеясь на лучшее.

Это дорогостоящее мероприятие как по времени, так и по деньгам.Однако в новом исследовании исследователи из Университета Дьюка в сотрудничестве с группами из Гарвардского и Йельского университетов описывают метод, который может предсказать, какие бинарные сплавы будут образовывать металлические стекла. Их техника включает в себя вычисление и сравнение множества карманов с различной структурой и энергиями, которые можно найти в затвердевшем сплаве.Результаты были опубликованы 2 августа 2016 года в Nature Communications.

«Когда вы получаете множество структур, формирующихся рядом друг с другом, которые отличаются друг от друга, но все же имеют схожую внутреннюю энергию, вы испытываете своего рода разочарование, поскольку материал пытается кристаллизоваться», — сказал Эрик Перим, постдокторский исследователь, работающий в лаборатории Стефано. Куртароло, профессор машиностроения и материаловедения и директор Центра геномики материалов в Дьюке. «Материал не может решить, к какой кристаллической структуре он хочет сойтись, и возникает металлическое стекло. То, что мы создали, по сути является мерой этой путаницы».Чтобы определить вероятность образования стекла из сплава, Куртароло, Перим и их коллеги разбили его химический состав на множество частей, каждая из которых содержит лишь несколько атомов.

Затем они обратились к базе данных прототипов, чтобы смоделировать сотни структур, которые потенциально может принять каждая секция.В базе данных, называемой библиотекой AFLOW, хранится информация об атомных структурах, которые обычно наблюдаются в природе. Используя эти примеры, программа вычисляет, как новая комбинация элементов будет выглядеть с этими структурами. Например, атомная структура хлорида натрия, более известная как соль, может быть использована для построения потенциальной структуры медь-цирконий.

Это моделирование позволяет оценить характеристики сотен структурных форм, которые может принимать материал. Одна характеристика, называемая атомным окружением, касается геометрического расположения ближайших соседей атома. Другой вычисляет количество энергии, хранящейся в каждой из этих атомных структур.

Чтобы определить вероятность образования металлического стекла из сплава, программа сравнивает эти две характеристики между сотнями различных структур, которые можно найти по всему материалу. Если группы атомов рядом друг с другом имеют одинаковую энергию, они хотят образовывать похожие структуры.

Но если этому препятствует быстрое охлаждение, появляется металлическое стекло.«Большим преимуществом нашей работы является высокая пропускная способность, потому что проведение экспериментов требует слишком много времени», — сказал Кормак Тохер, доцент-исследователь лаборатории Куртароло. «Вы не можете проверить все составы всех систем в лаборатории.

Это займет буквально вечность. Идея состоит в том, что мы можем просмотреть большое количество материалов за пару дней и выделить наиболее вероятные из них, которые следует проверить. . "Затем группа проверила свою программу измерения путаницы, чтобы увидеть, может ли она точно предсказать уже известные металлические стекла. Им удалось правильно определить 73 процента — это число, как они надеются, улучшится по мере того, как они будут продолжать увеличивать структурную информацию и моделирование, хранящиеся в их базе данных.Основываясь на своей первоначальной работе, они полагают, что около шестой части сплавов в их системе должны давать металлическое стекло.

Это более 250 потенциальных материалов, из которых было обнаружено лишь около пары десятков.«Если вы поедете в Венецию, вы увидите, как люди дуют в стеклянные бутылки», — сказал Куртароло. "Вы также можете сделать это с металлическими очками.

Вы можете делать легкие, очень прочные предметы без каких-либо швов. Но попытаться увеличить их сложно.

Чем больше шишка, тем дольше остывает его центр, и тем выше вероятность он должен образовывать нормальную кристаллическую структуру. Но могут быть неоткрытые химические комбинации, с которыми было бы легче работать, с меньшими затратами или с другими, более желательными свойствами. Нам просто нужно выяснить, где их искать ».Помимо уточнения результатов для бинарных сплавов, исследователи планируют распространить свой алгоритм на сплавы, содержащие три элемента, поскольку они с большей вероятностью образуют стекла, но их моделирование гораздо сложнее и требует много времени.

Однако их база данных содержит только около одной десятой записей для этих сплавов, как и для бинарных сплавов, поэтому компьютерные кластеры по всему миру сначала должны будут работать в течение некоторого времени.

Портал обо всем