Wetenschappers en ingenieurs die werken met materialen – metalen, polymeren, keramiek, composieten, en een bril – weet dat op enige schaal, voorspellend vermogen breekt af te midden van de fluctuaties die bekend staan ​​​​als 'stochasticiteit'. Op atomaire schaal bijv. zelfs het meest perfecte kristal heeft thermodynamische schommelingen, in de vorm van "puntdefecten" - atomen die ontbreken in het kristalrooster. In een ander voorbeeld, de atomen in een legeringsmateriaal kunnen op vele manieren worden verdeeld:een legering van siliciumgermanium, kan de helft en de helft van elk element in het algemeen zijn, maar met stochastische fluctuaties varieert de verhouding waarin die elementen worden gevonden op verschillende lengteschalen door het materiaal.

In een paper gepubliceerd in Technische Natuurkunde Beoordelingen , een groep onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute, wijzend op vier onderliggende oorzaken van dergelijke fluctuaties die materialen overspannen, stellen dat stochasticiteit inherent is aan alle materialen en meer onderzoek verdient als studiegebied.

"We stellen een nieuw raamwerk voor om stochasticiteit te begrijpen als een belangrijk verenigend fenomeen in materialen, " zei Robert Hull, de Henry Burlage Professor of Engineering en directeur van het Rensselaer Centre for Materials, apparaten, en geïntegreerde systemen, en hoofdauteur van het artikel. "Er is een kans om een ​​bredere kijk op stochasticiteit te nemen - door onze kijk uit te breiden van individuele observaties op basis van een enkele klasse materialen naar een breder perspectief over materialen - voor meer controle over zowel de uitdagingen als potentiële voordelen die het biedt in materiaalwetenschap en Engineering."

Hull werd op het papier vergezeld door Rensselaer-collega's Pawel Kelinski, hoogleraar en hoofd materiaalkunde en techniek; Dan Lewis, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek; Antoinette Maniatty, hoogleraar mechanische, ruimtevaart, en nucleaire techniek; Vincent Meunier, de Jeffrey L. Kodosky '70 Career Development Constellation Chair en hoofd natuurkunde, Toegepaste fysica, en astronomie; Assad A. Oberai, voormalig associate dean van de School of Engineering, nu aan de Universiteit van Zuid-Californië; Catalin Picu, associate hoofd mechanisch, ruimtevaart, en nucleaire techniek; Johnson Samuël, universitair hoofddocent mechanische, ruimtevaart, en nucleaire techniek; Mark S. Shephard, de Elisabeth C. en Samuel A. Johnson '37 Professor in Engineering; Minoru Tomozawa, hoogleraar materiaalkunde en techniek; Deepak Vasishth, directeur van het Rensselaer Centrum voor Biotechnologie en Interdisciplinaire Studies; en Shengbai Zhang, de senior Gail en Jeffrey L. Kodosky '70 leerstoel in de natuurkunde, Informatie Technologie, en Ondernemerschap.

Alle materialen vertonen op een bepaalde tijd- of lengteschaal stochasticiteit, maar materiaalwetenschappers confronteren die fluctuaties doorgaans van geval tot geval, terwijl de bredere implicaties van stochasticiteit onderbelicht blijven, zei Hul.

"Het feit dat de interne structuur van materialen op een bepaalde tijd- of lengteschaal niet-uniform en niet-voorspelbaar wordt, is een fenomeen dat ten grondslag ligt aan bijna alles wat we doen, en toch hebben we slechts fragmentarische informatie over de effecten ervan, " Zei Hull. "We denken dat materiaalstochasticiteit als een apart onderzoeksgebied waardevolle inzichten kan opleveren die ons vermogen om materialen te begrijpen en te manipuleren zullen bevorderen."

Het artikel bespreekt vier "brede klassen" van stochasticiteit in materialen:thermodynamische fluctuaties, structurele/samenstellingsfluctuaties, kinetische fluctuaties, en frustratie/degeneratie. Het houdt ook rekening met stochastische effecten die voortvloeien uit onnauwkeurigheid in meting en onzekerheden in modellering en simulatie.

Kinetische fluctuaties, bijvoorbeeld, zijn temporele fluctuaties in de ontwikkeling van de interne structuur van materialen (de "materiaalmicrostructuur"). Een bekend voorbeeld is te zien in de metallurgie, waar hitte en spanning worden gebruikt om de interne structuur van metallische legeringen zoals staal te veranderen. Op microscopisch niveau, staal, gemaakt van ijzer en koolstof en andere elementen, vormt lokaal verschillende regio's die "korrels" en "fasen" worden genoemd. De verdeling van korrels en fasen en hun karakteristieke afmetingen zijn afhankelijk van kinetische fluctuaties tijdens de verwerking van het materiaal en beïnvloeden kritische technische eigenschappen zoals treksterkte en ductiliteit. De geschiedenis van de staalverwerking, millennia overspannen, is in wezen een poging om warmte en spanning te gebruiken om de korrelgrootte en faseverdeling te regelen en daardoor de eigenschappen ervan te optimaliseren.

Staalfabrikanten zijn bedreven in het toepassen van specifieke technieken om een ​​consistent product te produceren, maar een nauwkeuriger begrip van kinetische fluctuaties zou nieuwe voorspelbare varianten van de microstructuur van materialen kunnen creëren met verbeterde of nieuwe eigenschappen. Onderzoek naar de drie andere klassen van materiaalstochasticiteit biedt een vergelijkbare belofte.

Als remedie, de onderzoekers stellen stochasticiteit voor als studiegebied en bieden ook een wiskundig raamwerk voor het beschrijven van materiaalstochasticiteit. Dit kader, zei Hull, maakt het mogelijk om stochasticiteit te beschouwen onder een verenigende methodologie.

Eindelijk, de onderzoekers zien potentiële voordelen van het benutten van stochasticiteit. Typisch, de fluctuaties van stochasticiteit worden beschouwd als een uitdaging die moet worden beheerst en beperkt. Maar het is mogelijk, de onderzoekers schreven, dat een beter begrip van stochasticiteit situaties aan het licht zal brengen waarin de inherente fluctuaties van materialen nieuwe materiaaleigenschappen opleveren.

"De natuur heeft ons een eindig aantal elementen gegeven, en manieren om ze te combineren, ' zei Hull. 'Misschien, binnen stochasticiteit, we kunnen nieuwe vrijheidsgraden vinden binnen de materiële verzameling die voorheen niet werden herkend."

"Stochasticiteit in materiaalstructuur, eigendommen, en verwerking - een recensie" verscheen in de editie van maart 2018 van: Technische Natuurkunde Beoordelingen .