Materiaalwetenschap is een vakgebied waarin Jason Trelewicz al sinds zijn jeugd geïnteresseerd is. wanneer zijn vader - een ingenieur - hem aan het werk zou brengen. In het materialenlab op de werkplek van zijn vader, Trelewicz zou optische microscopen gebruiken om in te zoomen op materiële oppervlakken, geïntrigeerd door alle verschillende kenmerken die hij zou zien als licht in wisselwerking met verschillende monsters.

Nutsvoorzieningen, Trelewicz - een assistent-professor aan het College of Engineering and Applied Sciences' Department of Materials Science and Chemical Engineering met een gezamenlijke aanstelling in het Institute for Advanced Computational Science aan de Stony Brook University en hoofdonderzoeker van het Engineered Metallic Nanostructures Laboratory - maakt gebruik van de veel hogere vergrotingen van elektronenmicroscopen om minuscule nanostructuren in fijn detail te zien en te leren wat er gebeurt als ze worden blootgesteld aan hitte, straling, en mechanische krachten. Vooral, Trelewicz is geïnteresseerd in metaallegeringen met nanostructuur (metalen gemengd met andere elementen) die kenmerken van nanometerformaat in klassieke materialen opnemen om hun prestaties te verbeteren. De informatie die is verzameld uit elektronenmicroscopiestudies helpt hem de interacties tussen structurele en chemische kenmerken op nanoschaal te begrijpen. Dit begrip kan vervolgens worden gebruikt om de eigenschappen van materialen af ​​te stemmen voor gebruik in alles, van ruimtevaart- en auto-onderdelen tot consumentenelektronica en kernreactoren.

Sinds 2012, toen hij aankwam op de Stony Brook University, Trelewicz heeft de elektronenmicroscopen en het high-performance computing-cluster (HPC) in het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory - gebruikt om zijn onderzoek uit te voeren.

"Destijds, Ik was op zoek naar manieren om mijn idee van het stabiliseren van nanostructuren in metalen toe te passen op een toepassingsgericht probleem, " zei Trelewicz. "Ik ben al lang geïnteresseerd in kernenergietechnologieën, aanvankelijk lezen over fusie op de lagere school. Het idee om de processen na te bootsen die verantwoordelijk zijn voor de energie die we hier op aarde van de zon ontvangen, was boeiend, en heeft mijn interesse in kernenergie gedurende mijn hele academische carrière aangewakkerd. Hoewel we nog steeds erg ver verwijderd zijn van een fusiereactor die energie opwekt, een groot internationaal team aan een project in aanbouw in Frankrijk, genaamd ITER, werkt aan het demonstreren van een langdurige fusiereactie op grote schaal."

Plasma gerichte materialen voor fusiereactoren

Kernfusie - de reactie waarbij atoomkernen botsen - zou een bijna onbeperkte voorraad veilige, schone energie, zoals die van nature door de zon wordt geproduceerd door waterstofkernen te fuseren tot heliumatomen. Het benutten van deze koolstofvrije energie in reactoren vereist het genereren en onderhouden van een plasma, een geïoniseerd gas, bij de zeer hoge temperaturen waarbij fusie plaatsvindt (ongeveer zes keer heter dan de kern van de zon), terwijl deze wordt opgesloten met behulp van magnetische velden. Van de vele uitdagingen waarmee demonstraties van fusiereactoren momenteel worden geconfronteerd, een van bijzonder belang voor Trelewicz is het creëren van levensvatbare materialen om een ​​reactor te bouwen.

"In de formidabele materiaaluitdagingen voor fusie zag ik een kans voor mijn onderzoek - het ontwikkelen van materialen die kunnen overleven in de fusiereactor, waar het plasma hoge warmtestromen zal genereren, hoge thermische spanningen, en hoge deeltjes- en neutronenfluxen, "zei Trelewicz. "De operationele omstandigheden in deze omgeving behoren tot de zwaarste waarin men zou kunnen verwachten dat een materiaal functioneert."

Een primaire kandidaat voor dergelijk "op plasma gericht materiaal" is wolfraam, vanwege het hoge smeltpunt - het hoogste onder metalen in zuivere vorm - en het lage sputterrendement (aantal atomen dat wordt uitgestoten door energetische ionen uit het plasma). Echter, de stabiliteit van wolfraam tegen herkristallisatie, oxidatie weerstand, langdurige stralingstolerantie, en mechanische prestaties zijn problematisch.

Trelewicz denkt dat het ontwerpen van wolfraamlegeringen met nauwkeurig op maat gemaakte nanostructuren een manier zou kunnen zijn om deze problemen op te lossen. In augustus, hij ontving een $ 750, 000 vijfjarige onderscheiding van het Early Career Research Program van de DOE voor de ontwikkeling van stabiele nanokristallijne wolfraamlegeringen die bestand zijn tegen de veeleisende omgeving van een fusiereactor. Zijn onderzoek combineert simulaties die atomaire interacties en experimenten modelleren met real-time blootstelling aan ionenstraling en mechanische testen om de fundamentele mechanismen te begrijpen die verantwoordelijk zijn voor de thermische stabiliteit van de legeringen, stralingstolerantie en mechanische prestaties. De inzichten uit dit onderzoek zullen bijdragen aan het ontwerp van veerkrachtigere legeringen voor fusietoepassingen.

Naast de rekenhulpmiddelen die ze bij hun thuisinstelling gebruiken, Trelewicz en zijn laboratoriumgroep gebruiken het HPC-cluster bij de CFN - en die bij andere DOE-faciliteiten, zoals Titan bij Oak Ridge Leadership Computing Facility (een DOE Office of Science User Facility bij Oak Ridge National Laboratory) - om grootschalige atomistische simulaties uit te voeren als onderdeel van het project.

"De lengteschalen van de structuren die we in onze materialen willen ontwerpen, liggen in de orde van enkele nanometers tot 100 nanometers, en een enkele simulatie kan tot 10 miljoen atomen omvatten, " zei Trelewicz. "Met behulp van HPC-clusters, we kunnen een systeem atoom voor atoom bouwen, representatief voor de structuur die we experimenteel willen onderzoeken, en voer simulaties uit om de reactie van dat systeem onder verschillende externe stimuli te bestuderen. Bijvoorbeeld, we kunnen een hoogenergetisch atoom in het systeem afvuren en kijken wat er met het materiaal gebeurt en hoe het evolueert, honderden of duizenden keren. Zodra de schade zich heeft opgehoopt in de structuur, we kunnen thermische en mechanische krachten simuleren om te begrijpen hoe defectstructuur ander gedrag beïnvloedt."

Deze simulaties informeren de structuren en chemie van experimentele legeringen, die Trelewicz en zijn studenten fabriceren aan de Stony Brook University door middel van hoogenergetisch frezen. Om de nanoschaalstructuur en chemische distributie van de gemanipuleerde legeringen te karakteriseren, ze maken veelvuldig gebruik van de microscopiefaciliteiten van het CFN, waaronder scanning-elektronenmicroscopen, transmissie elektronenmicroscopen, en scanning transmissie-elektronenmicroscopen. Beeldvorming wordt uitgevoerd met hoge resolutie en vaak gecombineerd met verwarming binnen de microscoop om in realtime te onderzoeken hoe de structuren evolueren met de temperatuur. Er worden ook experimenten uitgevoerd in andere nationale DOE-labs, zoals Sandia door samenwerking met materiaalwetenschapper Khalid Hattar van het Ion Beam Laboratory. Hier, studenten in de onderzoeksgroep van Trelewicz bestralen de geconstrueerde legeringen gelijktijdig met een ionenstraal en beeld ze gedurende vele dagen af ​​met een elektronenmicroscoop.

"Hoewel deze schade niet te vergelijken is met wat het materiaal zou ervaren in een reactor, het biedt een startpunt om te evalueren of het geconstrueerde materiaal inderdaad enkele van de beperkingen van wolfraam voor fusietoepassingen zou kunnen aanpakken, ' zei Trelewicz.

Elektronenmicroscopie bij het CFN heeft een sleutelrol gespeeld in een opwindende ontdekking die de studenten van Trelewicz onlangs deden:een onverwachte metastabiele-naar-stabiele faseovergang in dunne films van nanogestructureerd wolfraam. Deze faseovergang drijft een abnormaal "korrel"-groeiproces aan waarbij sommige kristallijne nanostructuurkenmerken zeer dramatisch groeien ten koste van andere. Toen de studenten chroom en titanium aan wolfraam toevoegden, deze metastabiele fase was volledig geëlimineerd, op zijn beurt de thermische stabiliteit van het materiaal verbeteren.

"Een van de geweldige aspecten van het hebben van zowel experimentele als computationele componenten voor ons onderzoek is dat wanneer we nieuwe dingen leren van onze experimenten, we kunnen teruggaan en de simulaties aanpassen om de werkelijke materialen nauwkeuriger weer te geven, ' zei Trelewicz.

Andere projecten in de onderzoeksgroep van Trelewicz

Het onderzoek met wolfraam is slechts een van de vele lopende projecten in het Engineered Metallic Nanostructures Laboratory.

"Al onze projecten vallen onder de paraplu van het ontwikkelen van nieuwe metaallegeringen met verbeterde en/of multifunctionele eigenschappen, " zei Trelewicz. "We kijken naar verschillende strategieën om de materiaalprestaties te optimaliseren door gezamenlijk de chemie en microstructuur in onze materialen op maat te maken. Veel van de wetenschap ligt in het begrijpen van de mechanismen op nanoschaal die de eigenschappen bepalen die we op macroschaal meten."

Door middel van een National Science Foundation CAREER (Faculty Early Career Development Program) prijs, Trelewicz en zijn onderzoeksgroep onderzoeken een andere klasse van zeer sterke legeringen:amorfe metalen, of "metalen glazen, " Dit zijn metalen met een ongeordende atomaire structuur die lijkt op glas. Vergeleken met gewone metalen, metalen glazen zijn vaak inherent sterker, maar meestal erg broos, en het is moeilijk om ze in grote delen zoals bulkvellen te maken. Het team van Trelewicz ontwerpt interfaces en construeert deze in de metalen glazen - aanvankelijk op ijzer gebaseerde en later op zirkonium gebaseerde - om de taaiheid van de materialen te verbeteren, en het verkennen van additieve fabricageprocessen om plaatwerkproductie mogelijk te maken. Ze zullen de Nanofabrication Facility van het CFN gebruiken om dunne films van deze interface-engineered metalen glazen te fabriceren voor in situ analyse met behulp van elektronenmicroscopietechnieken.

Bij een soortgelijk project ze proberen te begrijpen hoe het introduceren van een kristallijne fase in een op zirkonium gebaseerde amorfe legering om een ​​metallische glasmatrixcomposiet te vormen (samengesteld uit zowel amorfe als kristallijne fasen) het vervormingsproces vergroot ten opzichte van dat van gewone metalen glazen. Metalen glazen falen meestal catastrofaal omdat de spanning wordt gelokaliseerd in afschuifbanden. Het introduceren van kristallijne gebieden in de metalen glazen zou het proces kunnen remmen waardoor spanning zich in het materiaal lokaliseert. Ze hebben al aangetoond dat de aanwezigheid van de kristallijne fase het mechanisme waardoor de afschuifbanden worden gevormd fundamenteel verandert.

Trelewicz en zijn groep onderzoeken ook het vervormingsgedrag van metalen "nanolaminaten" die bestaan ​​uit afwisselende kristallijne en amorfe lagen, en proberen de theoretische limiet van sterkte in lichtgewicht aluminiumlegeringen te benaderen door middel van synergetische chemische dopingstrategieën (andere elementen aan een materiaal toevoegen om de eigenschappen ervan te veranderen).

"We maken gebruik van middelen van de CFN voor elk lopend project in mijn onderzoeksgroep, " zei Trelewicz. "We gebruiken de elektronenmicroscopiefaciliteiten uitgebreid om te kijken naar de micro- en nanostructuur van materialen, heel vaak over hoe interfaces worden gekoppeld aan inhomogeniteiten in de samenstelling - informatie die ons helpt bij het stabiliseren en ontwerpen van grensvlaknetwerken in nanogestructureerde metaallegeringen. Computationele modellering en simulatie mogelijk gemaakt door de HPC-clusters bij de CFN informeren over wat we doen in onze experimenten."

Naast zijn werk bij CFN, Trelewicz werkt samen met zijn afdelingscollega's om materialen te karakteriseren bij de National Synchrotron Light Source II - een andere DOE Office of Science User Facility in Brookhaven.

"Er zijn verschillende manieren om structurele en chemische inhomogeniteiten te karakteriseren, "zei Trelewicz. "We kijken naar kleine hoeveelheden materiaal via de elektronenmicroscopen bij CFN en op meer bulkniveau bij NSLS-II door middel van technieken zoals röntgendiffractie en de micro/nano-sonde. We combineren deze lokale en globale informatie om een ​​materiaal grondig te karakteriseren en gebruiken deze informatie om de eigenschappen ervan te optimaliseren."

Toekomst van materialen van de volgende generatie

Als hij geen onderzoek doet, Trelewicz is doorgaans druk met het bereiken van studenten. Hij sluit aan bij de technische afdelingen van verschillende scholen, hen te voorzien van materiaaltechnische ontwerpprojecten. De studenten nemen niet alleen deel aan de technische aspecten van materiaalontwerp, maar worden ook getraind in het gebruik van 3D-printers en andere hulpmiddelen die essentieel zijn in de huidige samenleving om producten kosteneffectiever en met betere prestaties te vervaardigen.

Vooruit gaan, Trelewicz wil zijn samenwerkingen bij de CFN uitbreiden en zijn onderzoek naar metalen nanostructuren helpen vestigen als een kerngebied dat wordt ondersteund door CFN en, uiteindelijk, DOE, om ongekende eigenschappen in klassieke materialen te bereiken.

"Elke dag iets nieuws kunnen leren, die kennis gebruiken om impact te hebben op de samenleving, en zien dat mijn studenten leemten opvullen in ons huidige begrip, maken mijn carrière als professor zo lonend, " zei Trelewicz. "Met de middelen van Stony Brook University, dichtbij CFN, en andere DOE-labs, Ik heb een geweldig platform om een ​​bijdrage te leveren op het gebied van materiaalkunde en metallurgie."