Onlarca yıldır metal alaşımlarında ince kimyasal desenlerin var olduğu biliniyordu, ancak araştırmacılar bunların önemli olamayacak kadar küçük olduğunu veya üretim sırasında silindiğini düşünüyorlardı. Ancak son araştırmalar, laboratuvar ortamlarında bu desenlerin bir metalin mekanik mukavemeti, dayanıklılığı, ısı kapasitesi, radyasyon toleransı ve daha fazlası dahil olmak üzere özelliklerini değiştirebileceğini göstermiştir.
Şimdi, MIT’deki araştırmacılar bu kimyasal kalıpların geleneksel olarak üretilmiş metallerde de mevcut olduğunu buldular. Şaşırtıcı bulgu, kalıcı kalıpları açıklayan yeni bir fiziksel olguyu ortaya çıkardı.
‘da yayınlanan bir makalede Doğa İletişimi Bugün araştırmacılar, kalıpları nasıl takip ettiklerini ve bunları açıklayan fiziği nasıl keşfettiklerini anlatıyorlar. Yazarlar ayrıca metallerdeki kimyasal desenleri tahmin etmek için basit bir model geliştirdiler ve mühendislerin bu modeli havacılık, yarı iletkenler, nükleer reaktörler ve daha fazlasında kullanılmak üzere bu tür desenlerin metalik özellikler üzerindeki etkisini ayarlamak için nasıl kullanabileceğini gösterdiler.
Freitas, “Sonuç şu: Bir metaldeki atomları asla tamamen rastgele hale getiremezsiniz. Onu nasıl işlediğinizin bir önemi yok” diyor. “Bu, metalde tutulan denge dışı durumları gösteren ilk makale. Şu anda bu kimyasal düzen, metal üretirken kontrol ettiğimiz veya dikkat ettiğimiz bir şey değil.”
Kariyerinin başındaki bir araştırmacı olan Freitas için bulgular, çok az kişinin benzersiz veya geniş çapta etkili sonuçlara yol açacağına inandığını söylediği kalabalık bir alanı keşfetmenin haklılığını ortaya koyuyor. Üç MIT Ph.D.’nin yer aldığı makaleyi mümkün kılan işbirlikçi çabaya teşekkür ediyor. ortak yazar olarak öğrenciler: Mahmudul Islam, Yifan Cao ve Killian Sheriff.
Freitas, “İnsanlar uzun süredir bunun üzerinde çalıştığı için bu özel sorunla mücadele edip etmemem gerektiği sorusu vardı” diyor. “Fakat bu konu hakkında daha çok şey öğrendikçe, araştırmacıların idealize edilmiş laboratuvar senaryolarında bunun hakkında daha çok düşündüklerini gördüm.
“Bu üretim süreçlerini yüksek doğrulukla yeniden üretmek için mümkün olduğunca gerçekçi simülasyonlar gerçekleştirmek istedik. Bu projenin en sevdiğim yanı, bulguların ne kadar sezgisel olmamasıdır. Bir şeyi tamamen birbirine karıştıramayacağınız gerçeği, insanlar bunun olacağını göremedi.”
Sürprizlerden teorilere
Freitas’ın araştırma ekibi pratik bir soruyla başladı: Metal işleme sırasında kimyasal elementler ne kadar hızlı karışır? Geleneksel görüş, metallerin kimyasal bileşiminin, üretim sırasında karıştırılmasıyla tamamen tek biçimli hale geldiği bir noktanın var olduğunu savunuyordu.
Bu noktayı bularak araştırmacılar, kısa menzilli düzen olarak da bilinen farklı seviyelerde atomik düzene sahip alaşımlar tasarlamanın basit bir yolunu geliştirebileceklerini düşündüler.
Araştırmacılar, metal işlemeyi taklit eden koşullar altında hareket eden ve kendilerini yeniden düzenleyen milyonlarca atomu izlemek için makine öğrenimi tekniklerini kullandılar.
Freitas, “Yaptığımız ilk şey bir metal parçasını deforme etmekti” diye açıklıyor. “Bu, üretim sırasında yaygın bir adımdır: Metali yuvarlarsınız, deforme edersiniz, tekrar ısıtırsınız ve biraz daha deforme edersiniz, böylece istediğiniz yapıyı geliştirir. Biz bunu yaptık ve kimyasal düzeni takip ettik. Buradaki düşünce, siz malzemeyi deforme ettikçe kimyasal bağları kırılır ve bu da sistemi rastgele hale getirir. Bu şiddetli üretim süreçleri aslında atomları karıştırır.”
Araştırmacılar karıştırma işlemi sırasında bir sorunla karşılaştılar: Alaşımlar hiçbir zaman tamamen rastgele bir duruma ulaşmadı. Bu bir sürprizdi çünkü bilinen hiçbir fiziksel mekanizma sonucu açıklayamıyordu.
Araştırmacılar makalede “Bu, metallerde yeni bir fizik konusuna işaret etti” diye yazıyor. “Uygulamalı araştırmanın temel bir keşfe yol açtığı durumlardan biriydi.”
Yeni fiziği ortaya çıkarmak için araştırmacılar, kimyasal düzenin zaman içinde nasıl değiştiğini ölçen yeni istatistiksel yöntemlerin yanı sıra, atomik etkileşimleri yakalamak için yüksek doğruluklu makine öğrenimi modelleri de dahil olmak üzere hesaplama araçları geliştirdiler. Daha sonra bu araçları, işlem sırasında atomların nasıl yeniden düzenlendiğini izlemek için büyük ölçekli moleküler dinamik simülasyonlarında uyguladılar.
Araştırmacılar işlenmiş metallerde bazı standart kimyasal düzenlemeler buldular, ancak bunlar normalde beklenenden daha yüksek sıcaklıklardaydı. Daha da şaşırtıcı olanı, üretim süreçlerinin dışında hiç görülmemiş tamamen yeni kimyasal modeller buldular. Bu tür desenler ilk kez gözlemlendi. Araştırmacılar bu kalıpları “dengeden uzak durumlar” olarak adlandırdılar.
Araştırmacılar ayrıca simülasyonların temel özelliklerini yeniden üreten basit bir model oluşturdular. Model, kimyasal desenlerin, metal içindeki üç boyutlu karalamalara benzeyen, dislokasyon olarak bilinen kusurlardan nasıl kaynaklandığını açıklıyor. Metal deforme oldukça, bu karalamalar eğriliyor ve yakındaki atomları yol boyunca karıştırıyor.
Daha önce araştırmacılar, karıştırmanın metallerdeki düzeni tamamen sildiğine inanıyordu, ancak dislokasyonların bazı atomik değişimleri diğerlerine göre tercih ettiğini, bunun da rastgelelikle değil, bulgularını açıklayan ince desenlerle sonuçlandığını buldular.
Freitas, “Bu kusurların, nasıl hareket edeceklerine yön veren kimyasal tercihleri var” diyor. “Düşük enerjili yollar arıyorlar, dolayısıyla kimyasal bağları kırmak arasında bir seçim yapmaları durumunda en zayıf bağları kırma eğiliminde oluyorlar ve bu tamamen rastgele değil.
“Bu çok heyecan verici çünkü bu bir dengesizlik durumu: Bu, malzemelerde doğal olarak meydana gelen bir şey değil. Bu, vücudumuzun dengesiz bir şekilde yaşaması gibi bir şey. Dışarıdaki sıcaklık her zaman vücudumuzdan daha sıcak veya daha soğuktur ve hayatta kalmak için bu sabit durum dengesini koruyoruz.
“Bu durumların metalde var olmasının nedeni budur: düzensizliğe doğru içsel bir itme ile diğerlerinden her zaman daha zayıf olan belirli bağları kırmaya yönelik bu düzenleyici eğilim arasındaki denge.”
Yeni bir teorinin uygulanması
Araştırmacılar şimdi bu kimyasal modellerin çok çeşitli üretim koşullarında nasıl geliştiğini araştırıyorlar. Sonuç, çeşitli metal işleme adımlarını metaldeki farklı kimyasal desenlere bağlayan bir haritadır.
Bugüne kadar bu kimyasal düzen ve ayarladıkları özellikler büyük ölçüde akademik bir konu olarak değerlendirildi. Araştırmacılar, bu haritayla mühendislerin bu kalıpları, yeni özellikler elde etmek için üretim sırasında çekilebilecek tasarım kaldıraçları olarak düşünmeye başlayabileceklerini umuyorlar.
Freitas, kimyasal reaksiyonları yönlendiren süreç hakkında şunları söylüyor: “Araştırmacılar bu atomik düzenlemelerin metalik özellikleri nasıl değiştirdiğini araştırıyorlar; bunlardan en büyüğü katalizdir.”
“Elektrokimya metalin yüzeyinde meydana gelir ve yerel atomik düzenlemelere karşı çok hassastır. Ayrıca bu faktörlerden etkilenmeyeceğini düşünemeyeceğiniz başka özellikler de vardır. Radyasyon hasarı da bir başka büyük hasardır. Bu da bu malzemelerin nükleer reaktörlerdeki performansını etkiler.”
Araştırmacılar Freitas’a, makalenin metalik özelliklerle ilgili diğer sürpriz bulguların açıklanmasına yardımcı olabileceğini zaten söylediler ve Freitas, alanın temel araştırmalardan kimyasal düzene ve daha uygulamalı çalışmalara geçmesinden heyecan duyuyor.
Freitas, “Havacılık ve uzay gibi çok optimize edilmiş alaşımlara ihtiyaç duyduğunuz alanları düşünebilirsiniz” diyor. “Çok özel bileşimlere önem veriyorlar. Gelişmiş üretim artık normalde deformasyonla karışmayacak metallerin birleştirilmesini mümkün kılıyor.
“Atomların bu süreçlerde gerçekte nasıl karıştığını ve karıştığını anlamak çok önemlidir, çünkü bu, düşük yoğunluğu korurken güç kazanmanın anahtarıdır. Dolayısıyla bu onlar için çok büyük bir olay olabilir.”
