A * STAR-onderzoekers hebben aangetoond, door middel van een supercomputersimulatie, dat hoge sterkte en vormgeheugen tegelijkertijd kunnen worden gerealiseerd door kristalkorrels van verschillende groottes te combineren, een prestatie die eerder voor onmogelijk werd gehouden. Deze bevinding toont het potentieel aan van geavanceerde simulaties voor het afstemmen van materialen om voorheen onbereikbare fysieke eigenschappen te bereiken.

Vormgeheugenlegeringen (SMA's) zijn materialen die kunnen terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm door verhitting nadat ze bij lage temperatuur zijn vervormd - een eigenschap die wordt gebruikt in toepassingen zoals schakelaars op nanoschaal en medische apparaten zoals stents en beugels.

Echter, Legeringen met vormgeheugen verliezen hun functionaliteit wanneer de grootte van de samenstellende kristalkorrels onder een bepaalde limiet komt - meestal enkele tientallen nanometers.

"Er zijn een aantal theorieën voorgesteld waarom dit gebeurt, " zegt Jerry Quek van A*STAR's Institute of High Performance Computing. "We denken dat het moeilijker is voor de geheugentransformatie om plaats te vinden aan de korrelgrenzen dan binnen de korrels zelf. Dit creëert een extra oppervlak tussen de getransformeerde geheugenfase in de korrel en de niet-getransformeerde fase aan de korrelgrens, wat uiteindelijk leidt tot onderdrukking van de transformatie bij zeer kleine korrelgroottes."

Dit is belangrijk omdat SMA's, zoals de meeste polykristallijne metalen, sterk worden bij zeer kleine korrelgroottes, waar het geheugeneffect verloren gaat. Terwijl het onmogelijk leek om tegelijkertijd kracht en geheugen te krijgen in hetzelfde materiaal, maar als het gelukt is, het zou de potentiële toepassing en nuttige functionaliteiten van SMA's drastisch kunnen verbreden.

"We werden gemotiveerd door enkele eerdere onderzoeken die aantoonden dat de combinatie van twee verschillende korrelgroottes zou kunnen resulteren in een samensmelting van nuttige eigenschappen zoals sterkte en vervormbaarheid, " zegt Quek. "Echter, de rol van dit soort microstructuren in SMA's was onbekend. Een simulatiebenadering is zeer efficiënt voor het onderzoeken van dergelijke optimalisatieprocessen, aangezien een groot aantal simulaties voor verschillende variaties van korrelmicrostructuur systematisch kan worden bestudeerd."

Dergelijke simulaties zijn niet triviaal, echter, en komen tegen zeer hoge rekenkosten. Het team van Quek maakte uitgebreid gebruik van het National Supercomputing Centre van Singapore, het uitvoeren van een code die moeizaam de verandering in energie simuleerde met betrekking tot de atomaire structuur binnen en rond maximaal 3, 000 kristalkorrels. Het team moest vervolgens honderden van deze simulaties uitvoeren met verschillende kristalgrootteconfiguraties om de statistieken te bevestigen.

"We waren vooral geïnteresseerd in de omkeerbare austeniet-martensietfasetransformatie, " legt Quek uit. "De austenitische en martensitische fasen hebben verschillende atomaire rangschikkingen, en vormgeheugen is mogelijk als het materiaal omkeerbaar kan worden geschakeld tussen de twee fasen, zoals door de temperatuur te veranderen."

Om dit fasegedrag te bestuderen, het team simuleerde en observeerde hoe de martensitische fase zich ontwikkelde door een aanvankelijke ijzer-palladiumlegering in de austenietstaat af te schrikken. Door een breed scala aan korrelgroottecombinaties te bestuderen, konden de onderzoekers aantonen dat de vorming van de martensitische fase, en vandaar het verschijnen van vormgeheugen, kan worden gecontroleerd door de korrelgrootteverdeling van de microstructuur te wijzigen.

"We ontdekten dat het introduceren van een populatie van grotere korrels te midden van korrels van nanoformaat het vormgeheugeneffect opnieuw introduceert terwijl de hoge sterkte van de nanoschaalstructuur behouden blijft, die toepassingen kunnen hebben in situaties waar zowel sterkte als vormgeheugeneffect belangrijk zijn, ", zegt Quek. "We toonden ook aan dat voor een bepaalde combinatie van korrelgroottes, we kunnen een microstructuur verkrijgen waarin één regio fasetransformatie ondergaat naar martensiet terwijl andere regio's austenitisch blijven, die de mogelijkheid biedt om materialen te ontwerpen met een variërende mate van vormgeheugenfunctionaliteit over een materiaal heen."