Mensen koelen al duizenden jaren metaalmengsels van vloeibaar naar vast. Maar verrassend genoeg er is niet veel bekend over wat er precies gebeurt tijdens het stollingsproces. Bijzonder raadselachtig is de stolling van eutectica, die mengsels zijn van twee of meer vaste fasen.

Ashwin Shahani, een assistent-professor materiaalwetenschappen en techniek aan de Universiteit van Michigan, werkt aan het oplossen van het mysterie van eutectische stolling, en zijn onderzoek heeft een ingewikkeld en prachtig universum van staafjes op nanoschaal onthuld, platen en spiralen die spontaan ontstaan ​​in koelende metaallegeringen.

We zaten onlangs om met hem te praten over zijn laatste paper, "Meerstapskristallisatie van zelfgeorganiseerde spiraaleutectica, " en hoe dit zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie lichtgewicht legeringen en optische producten met eigenschappen die superieur zijn aan monolithische materialen.

Wat motiveerde je om metaalstolling te bestuderen?

Ik denk dat het een van de meest opmerkelijke prestaties van de natuur is. Hoe kunnen deze uitgebreide patronen spontaan ontstaan ​​uit een ongeordende vloeistof? Waarom verkiest de natuur het ene patroon of de configuratie boven het andere? Veel ervan is gewoon aangeboren nieuwsgierigheid en de vreugde om het met mijn studenten te delen.

Waarom is het belangrijk om te begrijpen hoe deze structuren op nanoschaal ontstaan?

De structuur op nanoschaal van een materiaal verandert zijn eigenschappen. Dus als we kunnen begrijpen waarom een ​​bepaalde structuur wordt gevormd, we kunnen een productieproces ontwerpen om het opnieuw te creëren, of verander het zelfs om specifieke eigenschappen in te bouwen die we willen. We kunnen materialen maken die lichter zijn, of sterker, of dat licht op een bepaalde manier afbuigt, bijvoorbeeld.

Waar zouden die nieuwe materialen voor kunnen worden gebruikt?

Een materiaal dat licht op een bepaalde manier afbuigt, zou kunnen worden gebruikt om een ​​onzichtbaarheidscoating te maken. Je zou een enkele plaat metaal kunnen maken met eigenschappen die langs het oppervlak verschillen, bijvoorbeeld een vliegtuigvleugel die op sommige plaatsen sterker is en op andere lichter. Je zou lichtere en zuinigere auto-onderdelen kunnen maken. De mogelijkheden zijn zo goed als eindeloos.

Waarom kunnen we deze materialen niet maken met behulp van bestaande productiemethoden?

Wij kunnen, maar het is buitengewoon moeilijk en tijdrovend. Als we een spiraalpatroon op nanoschaal willen maken, bijvoorbeeld, we moeten lithografie gebruiken om elke kleine spiraal af te drukken. Dat is niet praktisch voor grootschalige productie. Maar wat als je ervoor zou kunnen zorgen dat die spiralen zichzelf in elkaar zetten door de vloeistof anders te koelen of de mix van metalen lichtjes te veranderen? Dat zou het proces veel sneller en schaalbaarder maken.

Als mensen al zo lang stollen gebruiken, waarom heeft niemand dit al bedacht?

Omdat in het verleden dit soort onderzoek was gebaseerd op het in stukken snijden van een materiaal dat al is gestold en het onder de microscoop bekijken. En dat geeft je een zeer beperkt beeld van hoe stolling plaatsvindt.

We gebruiken een unieke combinatie van multiscale en multimodale beeldtechnologieën om een ​​3D-beeld te creëren van wat er in realtime gebeurt tijdens het stollingsproces. Het omvat het combineren van veel verschillende beeldvormingstechnieken die ons een samenhangend beeld kunnen geven van de schaal van micrometers tot aan individuele atomen.

Wat zijn enkele van de uitdagingen van het combineren van al die technologieën?

Een van de grootste uitdagingen is dat 3D-beelden met een hoge resolutie net zo data-intensief zijn. Dat maakt dit zowel een big data-uitdaging als een materiaalwetenschappelijke uitdaging. Blijkbaar, alleen het hebben van een hoog niveau van rekenkracht is belangrijk, maar we hebben ook enkele nieuwe strategieën geïntroduceerd. Bijvoorbeeld, we zijn begonnen met het gebruik van machine learning-algoritmen om onze gegevens te doorzoeken en dingen te vinden die opmerkelijk zijn.

Wat is de volgende stap voor dit onderzoek?

De meeste technische materialen bestaan ​​niet alleen uit twee componenten, maar uit een cocktail van elementen. Dus nu, we kijken naar hoe chemie het stollingsproces beïnvloedt. Als ik een kleine hoeveelheid van een ander metaal aan het gesmolten mengsel toevoeg, hoe verandert dat de structuren op nanoschaal die zich vormen? Het is weer een stap in de richting van het begrijpen en uiteindelijk beheersen van deze structuren.