Onlarca Yıllık Teoriler Sarsıldı: Metallerin Yapısı Yeniden Tanımlanıyor
MIT araştırmacıları, metallerde aşırı işlemlerden geçtikten sonra bile gizli bir atom düzeninin varlığını sürdürebildiğini keşfettiler.
On yıllardır bilim insanları, metal alaşımlarının ince kimyasal örüntüler içerdiğini biliyorlardı, ancak bunların performansı etkilemeyecek kadar önemsiz olduğu veya üretim sırasında kaybolduğu düşünülüyordu. Ancak son laboratuvar çalışmaları, bu örüntülerin bir metalin mekanik mukavemeti, dayanıklılığı, ısı kapasitesi, radyasyon toleransı ve daha fazlası dahil olmak üzere özelliklerini önemli ölçüde etkileyebileceğini göstermiştir.
Şimdi ise MIT’deki araştırmacılar, bu kimyasal örüntülerin geleneksel üretim yöntemleriyle üretilen metallerde de mevcut olduğunu keşfettiler. Bu beklenmedik bulgu, örüntülerin neden varlığını sürdürdüğünü açıklayan yeni bir fiziksel olguyu ortaya çıkardı.
Nature Communications’da yayınlanan bir makalede, araştırmacılar örüntüleri nasıl izlediklerini ve bunları açıklayan fiziği nasıl keşfettiklerini anlatıyorlar. Yazarlar ayrıca metallerdeki kimyasal örüntüleri tahmin etmek için basit bir model geliştirdiler ve mühendislerin bu modeli, havacılık, yarı iletkenler, nükleer reaktörler ve daha birçok alanda kullanılmak üzere metalik özellikler üzerindeki bu örüntülerin etkisini ayarlamak için nasıl kullanabileceklerini gösteriyorlar.
“Sonuç şu: Bir metaldeki atomları asla tamamen rastgele hale getiremezsiniz. Nasıl işlediğinizin bir önemi yok,” diye açıklıyor MIT Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde TDK Yardımcı Doçenti Rodrigo Freitas. “Bu, metalde korunan bu denge dışı durumları gösteren ilk makale. Şu anda, metal üretirken bu kimyasal düzen kontrol ettiğimiz veya dikkat ettiğimiz bir şey değil.”
Kariyerinin başlarında bir araştırmacı olan Freitas için bulgular, çok az kişinin benzersiz veya geniş çapta etkili sonuçlara yol açacağına inandığı kalabalık bir alanı araştırmak için haklılık payı sunuyor. Çalışmayı Genç Araştırmacı Programı aracılığıyla destekleyen ABD Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi’ne teşekkür ediyor. Ayrıca, üç MIT doktora öğrencisinin (Mahmudul Islam, Yifan Cao ve Killian Sheriff) ortak yazar olarak yer aldığı makalenin ortaya çıkmasını sağlayan iş birliğine de teşekkür ediyor.
Freitas, “İnsanlar uzun süredir üzerinde çalıştığı için bu özel problemi ele alıp almamam gerektiği sorusu vardı,” diyor. “Ancak konu hakkında ne kadar çok şey öğrenirsem, araştırmacıların bunu idealize edilmiş laboratuvar senaryolarında o kadar çok düşündüğünü gördüm. Bu üretim süreçlerini yüksek doğrulukla yeniden üretmek için mümkün olduğunca gerçekçi simülasyonlar gerçekleştirmek istedik. Bu projenin en sevdiğim yanı, bulguların ne kadar sezgisel olmadığı. Bir şeyi tamamen bir araya getiremeyeceğiniz gerçeği, insanlar bunu öngöremedi.”
Sürprizlerden teorilere
Freitas’ın araştırma ekibi pratik bir soruyla başladı: Metal işleme sırasında kimyasal elementler ne kadar hızlı karışır? Geleneksel görüşe göre, metallerin kimyasal bileşiminin üretim sırasında karıştırılarak tamamen homojen hale geldiği bir nokta vardı. Bu noktayı bularak araştırmacılar, kısa menzilli düzen olarak da bilinen farklı atom düzeni seviyelerine sahip alaşımlar tasarlamak için basit bir yol geliştirebileceklerini düşündüler.
Araştırmacılar, metal işlemeyi taklit eden koşullar altında milyonlarca atomun hareket edip kendilerini yeniden düzenlemelerini izlemek için makine öğrenimi tekniklerini kullandılar.
Freitas, “Yaptığımız ilk şey bir metal parçasını deforme etmekti,” diye açıklıyor. “Bu, üretim sırasında yaygın bir adımdır: Metali yuvarlar, deforme eder, tekrar ısıtır ve biraz daha deforme edersiniz, böylece istediğiniz yapıyı geliştirir. Bunu yaptık ve kimyasal düzeni izledik. Düşünce şuydu: Malzemeyi deforme ettikçe kimyasal bağları kırılır ve bu da sistemi rastgele hale getirir. Bu şiddetli üretim süreçleri esasen atomları karıştırır.”
Araştırmacılar, karıştırma işlemi sırasında bir engele takıldılar: Alaşımlar hiçbir zaman tamamen rastgele bir duruma ulaşamadı. Bu bir sürprizdi, çünkü bilinen hiçbir fiziksel mekanizma sonucu açıklayamıyordu.
Araştırmacılar makalede, “Bu, metallerde yeni bir fizik kuralına işaret ediyordu,” diye yazıyor. “Uygulamalı araştırmanın temel bir keşfe yol açtığı durumlardan biriydi.”
Yeni fiziği ortaya çıkarmak için araştırmacılar, atomik etkileşimleri yakalamak üzere yüksek doğruluklu makine öğrenmesi modelleri de dahil olmak üzere hesaplama araçları ve kimyasal düzenin zaman içinde nasıl değiştiğini ölçen yeni istatistiksel yöntemler geliştirdiler. Daha sonra bu araçları, atomların işleme sırasında nasıl yeniden düzenlendiğini izlemek için büyük ölçekli moleküler dinamik simülasyonlarında uyguladılar.
Araştırmacılar, işlenmiş metallerinde bazı standart kimyasal düzenlemeler buldular, ancak bunlar normalde beklenenden daha yüksek sıcaklıklardaydı. Daha da şaşırtıcı olanı, üretim süreçleri dışında daha önce hiç görülmemiş tamamen yeni kimyasal düzenler bulmalarıydı. Bu, böylesi düzenlerin ilk kez gözlemlendiği zamandı. Araştırmacılar bu düzenleri “dengeden uzak durumlar” olarak adlandırdılar.
Araştırmacılar ayrıca, simülasyonların temel özelliklerini yeniden üreten basit bir model oluşturdular. Model, kimyasal düzenlerin, bir metal içindeki üç boyutlu karalamalar gibi görünen, dislokasyon olarak bilinen kusurlardan nasıl kaynaklandığını açıklıyor. Metal deforme oldukça, bu karalamalar eğriliyor ve yol boyunca yakındaki atomları karıştırıyor. Daha önce araştırmacılar, karıştırmanın metallerdeki düzeni tamamen ortadan kaldırdığına inanıyorlardı; ancak, dislokasyonların bazı atomik değişimleri diğerlerine göre daha fazla desteklediğini, bunun da rastgeleliğe değil, bulgularını açıklayan ince örüntülere yol açtığını buldular.
Freitas, “Bu kusurların hareketlerini yönlendiren kimyasal tercihleri var,” diyor. “Düşük enerjili yollar arıyorlar, bu yüzden kimyasal bağları kırmak arasında bir seçim yapmaları gerektiğinde, en zayıf bağları kırma eğiliminde oluyorlar ve bu tamamen rastgele değil. Bu çok heyecan verici çünkü bu bir denge dışı durum: Malzemelerde doğal olarak görülebilecek bir şey değil. Vücudumuzun denge dışı yaşama şekliyle aynı. Dışarıdaki sıcaklık her zaman vücudumuzdan daha sıcak veya daha soğuktur ve hayatta kalmak için bu sabit durum dengesini koruyoruz. Metalde bu durumların var olmasının nedeni de bu: Düzensizliğe doğru içsel bir itme ile her zaman diğerlerinden daha zayıf olan belirli bağları kırma eğilimi arasındaki denge.”
Yeni Bir Teori Uygulamak
Araştırmacılar şimdi bu kimyasal örüntülerin çok çeşitli üretim koşullarında nasıl geliştiğini araştırıyorlar. Sonuç, çeşitli metal işleme adımlarını metaldeki farklı kimyasal örüntülere bağlayan bir harita.
Bugüne kadar, bu kimyasal düzen ve ayarladıkları özellikler büyük ölçüde akademik bir konu olarak kabul edildi. Araştırmacılar, bu harita sayesinde mühendislerin bu desenleri, üretim sırasında yeni özellikler elde etmek için kullanılabilecek tasarım kaldıraçları olarak düşünmeye başlayabileceklerini umuyor.
Freitas, kimyasal reaksiyonları yönlendiren süreç hakkında, “Araştırmacılar, bu atomik düzenlenmelerin metalik özellikleri nasıl değiştirdiğini araştırıyorlar; bunlardan en önemlisi kataliz,” diyor. “Elektrokimya metalin yüzeyinde gerçekleşir ve yerel atomik düzenlenmelere karşı çok hassastır. Ayrıca, bu faktörlerin etkilemeyeceğini düşüneceğiniz başka özellikler de vardır. Radyasyon hasarı da bir diğer önemli etkendir. Bu, bu malzemelerin nükleer reaktörlerdeki performansını etkiler.”
Araştırmacılar, Freitas’a makalenin metalik özelliklerle ilgili diğer şaşırtıcı bulguları açıklamaya yardımcı olabileceğini zaten söyledi ve Freitas, bu alanın temel araştırmalardan kimyasal düzene ve daha uygulamalı çalışmalara geçmesinden heyecan duyuyor.
Freitas, “Havacılık ve uzay gibi son derece optimize edilmiş alaşımlara ihtiyaç duyulan alanları düşünebilirsiniz,” diyor. “Çok özel bileşimlere önem veriyorlar. Gelişmiş üretim artık normalde deformasyon yoluyla karışmayan metallerin birleştirilmesini mümkün kılıyor. Atomların bu süreçlerde nasıl karıştığını ve karıştığını anlamak çok önemli, çünkü bu, düşük yoğunluğu korurken güç kazanmanın anahtarı. Dolayısıyla bu onlar için büyük bir gelişme olabilir.”
Kaynak: https://scitechdaily.com