Een fundamentele ontdekking die ons huidige begrip van hoe metalen stollen en kristallijne patronen vormen verandert, kan helpen om giet- en lasprocessen beter onder controle te houden. Het legt ook uit hoe sneeuwvlokken en veel minerale patronen van nature ontstaan.

Het opnieuw onderzoeken van gegevens van zijn 20 jaar oude NASA-experiment met betrekking tot het herhaaldelijk bevriezen en smelten van zeer zuivere materialen in microzwaartekracht, Martin Glickman, onderzoeksprofessor in materiaalkunde en de Allen Henry Chair aan het Florida Institute of Technology, werken met Kumar Ankit op de School of Matter, Transport en energie aan de Arizona State University, ontdekte de manier waarop de natuur de vorming van complexe patronen begeleidt in materialen die kristalliseren.

Glicksman ontdekte een energieveld dat alle kristalliserende stoffen aantast, die hij het biasveld noemde dat volgens hem de manier is van de natuur om cellulaire en vertakkende dendritische microstructuren te leiden die zich vormen tijdens het stollen van de meeste metalen en legeringen.

"In de laatste fasen van het smelten, naaldachtige kristallen veranderden plotseling in bollen, en dus voor de eerste keer ooit, terwijl we stationaire deeltjes zagen smelten in microzwaartekracht en hun nogal opmerkelijke vormverandering zagen, ' zei Glickman.

"Ik zei, " hij voegde toe, "'Er moet meer aan de hand zijn dan alleen lawaai.'"

Eerder, en toch, veel wetenschappers zijn van mening dat willekeurige ruis de oorzaak is van patroonvorming - elke geluidstrilling of verstoring die inwerkt op een stollend materiaal. Glicksman en Ankit hebben een subtiele interne energiebron gevonden - het biasveld - dat de snelheid van het vast/vloeibaar grensvlak op kleine schaal moduleert en uiteindelijk opmerkelijk complexe structuren creëert. Die bevinding is theoretisch en via geavanceerde simulatiemethoden bevestigd.

"We hadden het geluk om experimenten uit te voeren in microzwaartekracht, waar het idee van het biasveld aanvankelijk werd gesuggereerd om het optreden van ongebruikelijke smeltpatronen te verklaren, "Zei Glicksman. "Nu hebben we een degelijke thermodynamische theorie en bewijs om dat idee te ondersteunen."

Glicksman en Ankit publiceerden onlangs hun bevindingen die het bestaan ​​van biasvelden in het tijdschrift bewijzen metalen .

Omdat het proces van het stollen van metalen vertakte interne micropatronen produceert die de chemische homogeniteit van gegoten materialen verstoren, een beter begrip van de rol van het biasveld in hun vorming opent wegen voor ingenieurs om verbeteringen aan te brengen in gegoten en gelaste materialen die vaak worden gebruikt in alles, van auto's en vliegtuigen tot medische instrumenten.

"Als we verbeteringen verwachten in de structuur van gietstukken, lasverbindingen en andere stollingsprocessen, we moeten de juiste natuurkunde kennen en toepassen, " Zei Glicksman. "Deze ontdekking zou mogelijk kunnen leiden tot verbeteringen in het metallurgische proces."