Новая геометрико-морфологическая теория, которую выдвинули ученые Уральского федерального университета (УрФУ), впервые позволяет единым уравнением предсказать, как от центрального ствола до мельчайших ветвей растут кристаллы с разной симметрией.
Представленное уравнение применимо не только к ледовым структурам, но к металлам и их сплавам. Модель была успешно проверена экспериментально на образцах воды, раствора глюкозы, сахарозы и растительных экстрактов.
Особое внимание было уделено применению теории в изучении процессов кристаллизации в металлургических сплавах. Результаты показывают хорошее согласование между теорией и наблюдаемыми формами дендритов никеля, обладающего уникальными характеристиками, такими как прочность, устойчивость к коррозии и способность формировать разнообразные сплавы.
Форма кристаллов и дендритные микроструктуры металлических сплавов предопределяют физические свойства затвердевшего материала, такие как механические свойства (прочность и пластичность), электрические и термические свойства (электропроводность и теплопроводность), магнитные свойства (энергетический гистерезис). Поэтому детальное понимание физического механизма во время неравновесного затвердевания переохлажденных расплавов имеет громадное значение. Например, даже при промышленном литье сплавов формируются главным образом дендриты из-за эффекта концентрационного переохлаждения
Важнейшим преимуществом разработанной модели является ее высокая параметрическая гибкость. Одно простое уравнение позволяет описать такую сложную морфологию, как снежинка или металлический дендрит, лишь путем изменения одного-двух параметров, зависящих от материала и степени переохлаждения. Это значительно упрощает исследования и моделирование кристаллизационных процессов.
Исторически интерес к изучению математики образования снежинок возник еще в XVII веке, когда Иоганн Кеплер первым попытался объяснить их шестилучевую структуру. Современные эксперименты позволили снять рост снежинок со скоростью миллион кадров в секунду, раскрыв удивительную сложность их образования.
Дендритные структуры играют ключевую роль в обеспечении надежности и долговечности важных компонентов и деталей, которые используются на разных производствах и в медицине. Разработанная модель способствует лучшему пониманию природы этих структур и улучшению качества производства материалов будущего.
Ранее Наука Mail рассказывала, что ученые нашли объяснение странному поведению «морского снега».