Чтобы разработать новые материалы, инженеры-материаловеды должны быть в состоянии предсказать, как быстро примесные атомы диффундируют или распространяются в кристалле в диапазоне температур.Используя новые вычислительные методы, исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне построили первую точную модель диффузии в магниевых сплавах. Хотя магний является самым легким конструкционным металлом, эта новая модель может иметь большое значение для инженеров-материаловедов, поскольку ее также можно использовать для прогнозирования диффузии атомов во многих других материалах.Эйнштейн первым описал фундаментальный механизм диффузии, но он был смоделирован только для нескольких кристаллов.
«Компьютерный анализ кристалла магния выявил скрытые нарушенные симметрии, которые влияют на то, как разные атомы будут двигаться в магнии», — объяснил Даллас Тринкл, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Иллинойсе.В сочетании с современными расчетами квантовой механики Тринкл и его аспирант Рави Агарвал смогли предсказать диффузию как обычных, так и редкоземельных металлов, что может быть использовано во многих жизненно важных практических приложениях.«Большинство растворенных веществ замещения в твердых телах диффундируют через вакансии, однако широко используемые аналитические модели диффузии делают неконтролируемые приближения в отношениях между скоростью атомных скачков, что снижает точность», — сказал Агарвал, первый автор исследования «Точная модель вакансии». -Mediated Solute Transport in Magnesium, опубликовано в Physical Review Letters ». Анализ симметрии гексагонального плотноупакованного кристалла выявляет более отчетливые переходы вакансий, чем предыдущие модели, а подход, основанный на функции Грина, вычисляет коэффициент диффузии точно для растворенных веществ в магнии. Мы обнаружили большие различия в сопротивлении растворенным веществам алюминия, цинка и редкоземельных элементов, а также улучшили энергию активации диффузии, что подчеркивает необходимость точных аналитических моделей переноса ».«Эти новые результаты позволят создавать новые легкие конструкционные металлы для автомобильной и аэрокосмической промышленности», — сказал Тринкл. «Эта модель особенно поучительна, поскольку мы можем найти нарушенную симметрию в атомных движениях, которые ранее считались идентичными.
Теперь этот метод можно использовать для предсказания того, как атомы диффундируют во многих других материалах».