De belangrijkste vooruitgang in de menselijke beschaving wordt gekenmerkt door de vooruitgang van de materialen die mensen gebruiken. Het stenen tijdperk maakte plaats voor de bronstijd, die op zijn beurt plaats maakte voor de ijzertijd. Nieuwe materialen verstoren de technologieën van die tijd, verbetering van het leven en de menselijke conditie.

Moderne technologieën kunnen eveneens direct worden herleid tot innovaties in de materialen die zijn gebruikt om ze te maken, zoals geïllustreerd door het gebruik van silicium in computerchips en ultramoderne staalsoorten die de infrastructuur ondersteunen. Eeuwenlang, echter, materialen en legeringsontwerp zijn gebaseerd op het gebruik van een basis, of directeur, element, waaraan kleine fracties van andere elementen worden toegevoegd. Neem staal, bijvoorbeeld, waarin kleine hoeveelheden koolstof toegevoegd aan het hoofdelement ijzer (Fe), leiden tot verbeterde eigenschappen. Wanneer kleine hoeveelheden andere elementen worden toegevoegd, het staal kan op maat worden gemaakt voor, zeggen, verbeterde corrosieweerstand of verbeterde sterkte.

Daterend uit een idee voorgesteld in 2004, de afgelopen jaren zijn getuige geweest van de opkomst van een nieuw paradigma in het ontwerp van legeringen, waarin drie of meer elementen in ongeveer gelijke verhoudingen worden gemengd. Genoemd multiprincipal element legeringen (MPEA's), of vaak bekend als een subset van deze legeringen genaamd legeringen met hoge entropie, deze materialen vervagen het onderscheid tussen meerderheids- en minderheidspopulaties van elementen. Deze meer perfecte unie van atomaire partners waaruit het collectieve materiaal bestaat, vertoont opwindende eigenschappen waardoor ze beter kunnen presteren dan hun traditionele tegenhangers.

"Sommige van deze materialen vertonen uitzonderlijke combinaties van sterkte, ductiliteit en schadetolerantie, " schrijft een team van UC Santa Barbara-onderzoekers - inclusief materiaalprofessoren Dan Gianola, Tresa Pollock en Irene Beyerlein, en postdoctoraal onderzoeker Fulin Wang - en hun co-auteurs in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap . "Vuurvaste legeringen [gemaakt van een groep van negen metalen elementen op het periodiek systeem die zeer goed bestand zijn tegen hitte en slijtage] zijn aantrekkelijke kandidaten voor gebruik bij extreem hoge temperaturen in verband met veel technologische toepassingen."

MPEA's motiveerden de ontwikkeling van vuurvaste MPEA's, voor het eerst gemaakt in 2010. Maar het gebruik van meerdere legeringen verhoogt bijna oneindig het aantal mogelijke "recepten" voor legeringen. Het enorme aantal combinaties dat kan worden bereikt, vormt de basis voor het gebruik van geavanceerde computationele screening en machine learning om zich te richten op de subsets van materialen met de meest interessante en wenselijke eigenschappen.

"Om deze benaderingen succesvol te laten zijn, het is van cruciaal belang dat het legeringsontwerpproces wordt geleid door een goed begrip van de oorsprong van de specifieke eigenschappen die gewenst zijn, " schrijft Julie Cairney, een professor aan de School of Aerospace, Mechanische en Mechatronische Techniek, aan de Universiteit van Sydney, in Australië, in een begeleidend stuk.

in hun Wetenschap papier, het UCSB-team en collega's van de Universiteit van Kentucky, het U.S. Naval Research Laboratory, en het onderzoekslaboratorium van de Amerikaanse luchtmacht, suggereren een manier om het vermogen te verbeteren om te voorspellen welke legeringen waardevolle eigenschappen kunnen hebben.

De belangrijkste van dergelijke eigenschappen is het vermogen van een legering om te vervormen, d.w.z. gevormd of gebogen zijn, zonder te barsten en om de materiële integriteit te behouden onder de overmatige belasting en de hoge hitte die wordt aangetroffen in extreme omgevingen, zoals in vliegtuigvleugels, raketmotoren en industriële turbines.

"Op atomair niveau, een materiaal vervormt, of van vorm verandert, als gevolg van bewegende atomen, " legde Wang uit, een postdoc in het lab van Gianola.

De kristallijne structuren van metalen bestaan ​​uit gestapelde vlakken van atomen die zijn georganiseerd in een zeer regelmatig raster. Als een metaal vervormt, atomen bewegen, of schuiven, over elkaar op het rooster. De lijn die de gebieden scheidt waar atomen zijn verplaatst en waar niet, wordt een dislocatie genoemd. De eigenschappen van dislocaties, inclusief hoe gemakkelijk en waar ze zich kunnen verplaatsen, worden daarom erg belangrijk voor het vervormingsgedrag van het materiaal.

Ondanks de voordelen van MPE-legeringen, vooruitgang bij het ontwerpen ervan is traag geweest. Hoewel traditionele trial-and-error-benaderingen inefficiënt zijn, vanaf ongeveer 2017, meer onderzoeksinspanningen werden besteed aan het ontwikkelen van theorieën om te proberen de onderliggende reden te identificeren dat een bepaalde legering gewenste eigenschappen had.

"Maar, "Wan zei, "Er is een gebrek aan experimenteel bewijs om een ​​aantal kritische elementen van de theorie te onderbouwen. Toen ik aan dit project begon, mijn directe vraag was, wat is er speciaal aan de MPEA's in vergelijking met traditionele legeringen? Omdat we geïnteresseerd zijn in mechanische eigenschappen, we concentreren ons op de dislocaties."

In dit onderzoek, de onderzoekers gebruikten elektronenmicroscopie om de configuraties van dislocaties te onderzoeken en de mechanistische oorsprong te onthullen die aanleiding geeft tot gewenste eigenschappen in een modellegering. Gecombineerd met de atomistische simulaties van de groep van Irene Beyerlein, ze toonden aan dat het willekeurige veld van verschillende elementen meerdere paden ontgrendelt voor dislocatiebewegingen, kenmerken die niet beschikbaar zijn in conventionele legeringen.

"Voor conventionele dislocaties, de kracht om atoombindingen te verbreken bij een dislocatie is enkelvoudig omdat alle atomen gelijk zijn, " zei Beyerlein. "Voor de MPE-dislocatie, deze kracht kan niet deterministisch zijn. De structuur van een MPE-dislocatie wordt opnieuw gedefinieerd als het probeert te bewegen door willekeurig veranderende atomaire omgevingen.

"Met onze atomistische berekeningen, we namen de benadering om het onverwachte te verwachten en onderzochten niet alleen de gebruikelijke modi, maar ook hogere modi van slip, tot op heden meestal verwaarloosd in de literatuur, " voegde ze eraan toe. "We hebben ook duizenden berekeningen uitgevoerd, die aantoonde hoe sterk deze kritische dislocatiekracht kan variëren en hoe gunstig alternatieve hogere vormen van slip zijn."

De studie maakt deel uit van een groter samenwerkingsverband onder leiding van Pollock en gefinancierd door het Office of Naval Research, genaamd MPE.edu, waarbij ook UCSB-onderzoekers Carlos Levi en Anton van der Ven betrokken zijn, gericht op het verkrijgen van fundamentele inzichten over de beste manier om de enorme vuurvaste legeringsruimte te verkennen.

"Hoewel samenstelling complexe legeringen al lang interessant voor ons zijn, vooruitgang bij het verkennen van de grote compositorische ruimte is traag geweest, " zei Pollock. "Met het MPE-project, brachten we een team samen dat opkomende computationele, machinaal leren, en experimentele instrumenten, die ons in staat hebben gesteld om nieuw gedrag te ontdekken en snel nieuwe compositorische domeinen te verkennen. De zeer hoge smeltpunten van de vuurvaste materialen van belang hebben ze in het verleden notoir moeilijk gemaakt om te fabriceren en te bestuderen, maar onze nieuwe benaderingen, gecombineerd met de mogelijkheid van 3D-printen, het landschap volledig veranderen."

"Dit werk is symbolisch voor de ware kracht van het combineren van experimenten met simulatie en theorie, " zei Gianola. "Veel onderzoekers bewijzen lippendienst aan deze synergie, maar deze studie had niet zo ver kunnen gaan als zonder het constante heen en weer tussen de experimentele en simulatiegroepen. De toekomst ziet er heel rooskleurig uit."