Kristallisationsfrustration sagt metallische Glasbildung voraus

Anonim

Forscher haben einen Weg gefunden, um vorherzusagen, welche Legierungen metallische Gläser bilden. Die Forschung könnte den Weg für neue, starke, leitfähige Materialien ebnen.

Metallische Gläser werden manchmal gebildet, wenn geschmolzenes Metall zu schnell abgekühlt wird, damit seine Atome in einer strukturierten, kristallinen Ordnung angeordnet sind. Das Ergebnis ist ein Material mit zahlreichen wünschenswerten Eigenschaften. Weil sie Metalle sind, haben metallische Gläser eine hohe Härte und Zähigkeit sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit. Weil ihre Struktur unorganisiert ist, sind sie leicht zu verarbeiten und zu formen und schwer zu korrodieren. Dank dieser Eigenschaften werden metallische Gläser in einer breiten Palette von Anwendungen verwendet, einschließlich elektrischer Anwendungen, Kernreaktortechnik, medizinischer Industrie, Strukturverstärkung und Rasierklingen.

Während metallisches Glas schon seit Jahrzehnten existiert, haben Wissenschaftler keine Ahnung, welche Kombinationen von Elementen sie bilden. Die einzige Möglichkeit, neue metallische Gläser zu entwickeln, bestand darin, im Labor mit nur wenigen Faustregeln neue Rezepte zu erfinden und auf das Beste zu hoffen - ein teures Unterfangen in Zeit und Geld.

In einer neuen Studie beschreiben Forscher der Duke University in Zusammenarbeit mit Gruppen der Harvard University und der Yale University eine Methode, die vorhersagen kann, welche binären Legierungen metallische Gläser bilden. Ihre Technik beinhaltet das Berechnen und Vergleichen der vielen Taschen unterschiedlicher Strukturen und Energien, die in einer erstarrten Legierung gefunden werden können.

Die Ergebnisse wurden am 2. August 2016 in Nature Communications veröffentlicht .

"Wenn man viele Strukturen nebeneinander bildet, die unterschiedlich sind, aber immer noch ähnliche innere Energien haben, bekommt man eine Art Frustration, wenn das Material kristallisiert", sagte Eric Perim, ein Postdoktorand, der im Labor von Stefano arbeitet Curtarolo, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften und Direktor des Center for Materials Genomics bei Duke. "Das Material kann nicht entscheiden, mit welcher kristallinen Struktur es zusammenlaufen will, und ein metallisches Glas taucht auf. Was wir geschaffen haben, ist im Grunde genommen ein Maß für diese Verwirrung."

Um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass eine Legierung ein Glas bildet, haben Curtarolo, Perim und ihre Kollegen die Chemie in zahlreiche Abschnitte zerlegt, die jeweils nur eine Handvoll Atome enthalten. Sie wandten sich dann einer Prototyp-Datenbank zu, um die Hunderte von Strukturen zu simulieren, die jeder Abschnitt möglicherweise ausführen könnte.

Die als AFLOW-Bibliothek bezeichnete Datenbank speichert Informationen über atomare Strukturen, die in der Natur häufig beobachtet werden. Anhand dieser Beispiele berechnet das Programm, wie eine neuartige Kombination von Elementen mit diesen Strukturen aussehen würde. Zum Beispiel kann die atomare Struktur von Natriumchlorid - besser bekannt als Salz - verwendet werden, um eine potentielle Struktur für Kupferzirkonium aufzubauen.

Diese Simulationen liefern Schätzungen von Eigenschaften für Hunderte von strukturellen Formen, die ein Material annehmen könnte. Eine Eigenschaft, die atomare Umgebung genannt wird, betrachtet die geometrische Anordnung der nächsten Nachbarn eines Atoms. Ein anderer berechnet die Menge an Energie, die in jeder dieser atomaren Strukturen gespeichert ist.

Um die Wahrscheinlichkeit einer Legierung zu bestimmen, die ein metallisches Glas bildet, vergleicht das Programm diese zwei Eigenschaften zwischen den Hunderten von verschiedenen Strukturen, die im ganzen Material gefunden werden konnten. Wenn Gruppen von Atomen nahe beieinander ähnliche Energien haben, wollen sie ähnliche Strukturen bilden. Aber wenn die schnelle Abkühlung dies verhindert, entsteht ein metallisches Glas.

"Der große Vorteil unserer Arbeit ist der hohe Durchsatz, weil dies experimentell viel zu zeitaufwendig ist", sagte Cormac Toher, wissenschaftlicher Hilfsprofessor in Curtarolos Labor. "Sie können nicht alle Zusammensetzungen aller Systeme im Labor überprüfen. Das würde buchstäblich ewig dauern. Die Idee dahinter ist, dass wir eine große Anzahl von Materialien in ein paar Tagen screenen und die wahrscheinlichsten heraussuchen können, die überprüft werden sollten. "

Die Gruppe stellte dann ihr Programm zur Messung der Verwirrung auf die Probe, um zu sehen, ob es metallische Gläser, die bereits bekannt sind, genau vorhersagen konnte. Sie waren in der Lage, 73 Prozent korrekt zu identifizieren - eine Zahl, von der sie sich erhoffen, dass sie sich verbessern wird, wenn sie weiterhin die in ihrer Datenbank gespeicherten strukturellen Informationen und Simulationen erhöhen.

Basierend auf ihrer anfänglichen Arbeit glauben sie, dass etwa ein Sechstel der Legierungen in ihrem System metallisches Glas erzeugen sollte. Das sind mehr als 250 potentielle Materialien, von denen nur ein paar Dutzend entdeckt wurden.

"Wenn Sie nach Venedig gehen, sehen Sie Leute, die Glasflaschen blasen", sagte Curtarolo. "Das kannst du auch mit metallischen Gläsern machen. Du kannst leichte, sehr haltbare Objekte ohne Nähte herstellen. Aber es ist schwierig, diese zu skalieren. Je größer der Klumpen, desto länger dauert es, bis sein Zentrum abkühlt und desto wahrscheinlicher Es könnte eine normale kristalline Struktur bilden. Aber es könnte unentdeckte chemische Kombinationen geben, mit denen man leichter arbeiten könnte, die weniger kosten oder andere, wünschenswertere Eigenschaften haben. Wir müssen nur herausfinden, wo wir danach suchen müssen. "

Neben der Verfeinerung ihrer Ergebnisse für binäre Legierungen planen die Forscher, ihren Algorithmus auf Legierungen auszuweiten, die drei Elemente enthalten, da sie eher Gläser bilden, aber viel schwieriger und zeitaufwändiger zu modellieren sind. Ihre Datenbank enthält jedoch nur etwa ein Zehntel der Einträge für diese Legierungen wie für binäre Legierungen, so dass Computercluster auf der ganzen Welt erst noch für einige Zeit arbeiten müssen.

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