Объемные металлические стекла — это металлические сплавы, чья аккуратно упорядоченная атомная структура может быть преобразована в аморфную, некристаллическую структуру, что придает металлу пластичность пластика, сохраняя при этом его долговечность и проводимость. Металлические стекла используются в самых разных областях: электроника, ядерная реакторная техника, медицина и даже клюшки для гольфа.Тем не менее, при всех вариантах их применения эти сплавы сложны и часто содержат пять или шесть различных элементов, включая дорогие благородные металлы, такие как золото или палладий.
Еще одно препятствие: ученые понятия не имеют, какие комбинации элементов сформируют их; Единственный способ узнать, является ли металлический сплав объемным металлическим стеклом, — это сначала синтезировать сплав, плавить и закалить его, а затем посмотреть, кристаллизуется ли он. Процесс дорогостоящий и трудоемкий.Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им.
Джона А. Полсона (SEAS) в сотрудничестве с коллегами из университетов Дьюка и Йельского университета разработали метод, позволяющий предсказать, какие сплавы могут образовывать объемное металлическое стекло.Исследование описано в Nature Communications. «Впервые мы наблюдаем сильную корреляцию между стеклообразующей способностью сплава и свойствами, которые мы можем легко рассчитать заранее», — сказал Йост Дж. Влассак, профессор материаловедения компании Abbott и Джеймса Лоуренса.
МОРЯ.При плавлении металлических сплавов атомы теряют свою упорядоченную структуру. Большинство металлических сплавов возвращаются к своей жесткой кристаллической структуре при обратном охлаждении.
Объемные металлические стекла, если их охладить с определенной скоростью, сохранят беспорядочную аморфную структуру даже в твердом состоянии.Но у некоторых сплавов есть больше возможностей, когда дело доходит до их кристаллической структуры.
Когда эти сплавы охлаждаются до твердого состояния, их атомы могут кристаллизоваться по-разному.«Если конкретный состав сплава демонстрирует множество структурно различных, стабильных или метастабильных кристаллических фаз, которые имеют схожую энергию образования, эти фазы будут конкурировать друг с другом во время затвердевания», — сказал Влассак. «По сути, жидкость становится настолько запутанной, что остается аморфной по мере затвердевания».
«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».
Команда Duke разработала базу данных для моделирования сотен кристаллических структур, которые потенциально может иметь каждый сплав. Они создали программу для анализа различных структур и сравнения энергии, необходимой для их образования.
Сплавы, которые могут образовывать множество различных структур с одинаковой энергией, являются вероятными кандидатами на образование металлического стекла.Затем команды из Гарварда и Йельского университета проверили предсказания экспериментально.
Новый подход позволяет предсказать образование известных металлических стекол в 73 процентах случаев и выявил сотни новых кандидатов на металлическое стекло, изготовленное из простых двухэлементных сплавов.