Американские ученые создали технологию анализа атомной структуры металлов с использованием матрицы с наноотверстиями. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
Понимание атомного строения металлов необходимо для оценки их прочности и устойчивости к деформациям. При охлаждении расплавленных материалов внутри формируются кристаллы, которые образуют множество отдельных зерен. Хаотичное расположение этих структур нарушает общую симметрию решетки. Химический состав и ориентация зерен определяют фактические физические свойства готовой детали.
Мелкие зерна повышают прочность сплавов, а крупные делают структуру более пластичной. Рисунок распределения кристаллов неоднороден, поэтому разные участки одного куска металла обладают разными характеристиками. Из-за этого инженерам сложно адаптировать материалы под конкретные промышленные задачи. Существующие методы анализа микроструктуры требуют компромисса между точностью и площадью охвата.
Точная карта деформаций
Метод просвечивающей электронной микроскопии дает четкий снимок очень малого участка поверхности. Изучение всего изделия таким способом занимает много времени из-за необходимости делать 1 млрд снимков. Механические тесты позволяют определить общую прочность крупного образца, однако классические испытания не дают информации о микроскопических процессах внутри металла.
Для решения проблемы специалисты создали квадратную матрицу размером около 1 см с отверстиями микроскопического масштаба. Нагретый металлический образец прессуется на поверхность этой формы. Под давлением материал проходит сквозь перфорацию, образуя на своей поверхности наностержни. Длина этих выступов сильно варьируется, несмотря на равномерное давление и температуру.
Полученный отпечаток служит картой микроструктуры сплава с разрешением около 2,5 нм. Измеряя длину стержней, инженеры получают информацию о физических свойствах детали. Технология связывает внешние характеристики материала с его атомным строением в каждой отдельной точке. Новый инструмент работает как универсальный мощный сканер для машиностроения.
Открытие поможет оптимизировать состав сплавов для создания деталей, работающих в экстремальных условиях. Разработка актуальна для атомной промышленности, производства газовых турбин и реактивных двигателей. Матричный метод позволит оперативно находить слабые места в структуре материалов, а производители смогут корректировать процессы литья для выпуска металлов с заданными параметрами.
Ранее ученые создали ИИ-алгоритм, который предсказывает стабильность комплексов редкоземельных металлов.