Materiaalwetenschappers hebben een model ontwikkeld dat onregelmatigheden kan verklaren in hoe atomen zich rangschikken op de zogenaamde "korrelgrenzen" - de interface waar twee materialen elkaar ontmoeten. Door de pakking van atomen op deze grensvlakken te beschrijven, de tool kan worden gebruikt om onderzoekers te helpen bepalen hoe korrelgrenzen de eigenschappen van metaallegeringen en andere materialen beïnvloeden.

"We weten al tientallen jaren dat deze korrelgrenzen de materiaaleigenschappen beïnvloeden, " zegt Srikanth Patala, corresponderende auteur van een paper over het werk en een assistent-professor materiaalwetenschappen en techniek aan de NC State University. "Maar het was buitengewoon moeilijk om te begrijpen hoe die defecten eruit zien op atomair niveau en, daarom, om te begrijpen hoe deze structurele onregelmatigheden de sterkte van een materiaal beïnvloeden, stijfheid, ductiliteit enzovoort.

"Nu hebben we een hulpmiddel waarmee we kunnen zien en begrijpen hoe deze ongeordende atomaire structuren er echt uitzien - en dat is een grote stap om uit te zoeken wat er precies aan de hand is, ' zegt Patala.

De meeste materialen hebben een bepaalde atomaire structuur die redelijk regelmatig is. Bijvoorbeeld, aluminium heeft een kubieke structuur, met atomen die op één lijn liggen in lange ketens van kubussen, terwijl titanium zich vormt tot wat in feite stapels zeshoeken zijn. Maar als twee materialen elkaar ontmoeten, zoals in een metaallegering, deze netjes, georganiseerde structuren botsen met elkaar, het creëren van de wanordelijke korrelgrens.

Het model ontwikkeld in Patala's onderzoeksgroep vindt onregelmatige driedimensionale vormen binnen de korrelgrens, classificeert ze en identificeert vervolgens patronen van die onregelmatige vormen.

"Vooruitgang in microscopie kan ons helpen beelden vast te leggen van hoe atomen zijn gerangschikt in een korrelgrens, maar dan weten we niet echt waar we naar kijken - je kunt de punten verbinden zoals je wilt, "zegt Patala. "Onze tool helpt om patronen van geometrische kenmerken te onderscheiden in een atomair landschap dat chaotisch kan lijken.

"Nu deze patronen kunnen worden geïdentificeerd, de volgende stap is voor computationele onderzoekers - zoals ik - om met experimentele onderzoekers te werken om te bepalen hoe die patronen de eigenschappen van een materiaal beïnvloeden, ' zegt Patala.

Zodra het effect van de patronen goed wordt begrepen, die informatie kan worden gebruikt om de sterke en zwakke punten van specifieke korrelgrenstypes beter te identificeren, het versnellen van de ontwikkeling van nieuwe legeringen of andere materialen.

Het gereedschap, het Polyhedral Unit Model genoemd, kan worden gebruikt om korrelgrenzen te modelleren voor elk materiaal waarin de aantrekkingskracht tussen atomen uitsluitend wordt bepaald door de afstand tussen atomen, zoals metalen en ionische vaste stoffen - inclusief sommige keramiek. Echter, de aanpak werkt niet voor materialen, zoals koolstof, die zogenaamde directionele bindingen vormen.

"We werken momenteel aan het publiek beschikbaar maken van het Polyhedral Unit Model via open source software, " zegt Patala. "We zijn van plan om het voor het einde van het jaar uit te brengen, en hopelijk eerder."

De krant, "Een driedimensionaal polyedrisch eenheidsmodel voor korrelgrensstructuur in fcc-metalen, " is gepubliceerd in het tijdschrift Nature npj Computational Materials .