研究人员解锁材料基因组为下一代设计开辟可能性

一种新的显微镜方法使研究人员能够检测到晶体材料原子级结构的微小变化——例如用于船体的高级钢材和用于电子产品的定制硅。该技术可以提高我们理解材料特性和行为的根本起源的能力。

在今天发表在《自然材料》上的一篇论文中 ，悉尼大学航空航天、机械与机电一体化工程学院的研究人员介绍了一种解读材料内原子关系的新方法。

这项突破将有助于开发用于航空航天工业的强度更高、重量更轻的合金、用于电子工业的新一代半导体以及用于电动机的改良磁铁。它还可以帮助创造可持续、高效且具有成本效益的产品。

这项研究由悉尼大学副校长(研究基础设施) 西蒙·林格教授领导，利用原子探针断层扫描 (APT) 的强大功能来揭开短程有序 (SRO) 的复杂性。SRO 过程是了解局部原子环境的关键，而这对于开发可能支撑新一代合金和半导体的创新材料至关重要。

SRO 有时被比作“材料基因组”，即晶体内原子的排列或配置。这很重要，因为不同的局部原子排列会影响材料的电子、磁性、机械、光学和其他特性，这些特性与一系列产品的安全性和功能性有关。

到目前为止，SRO 一直难以测量和量化，因为原子排列的规模非常小，用传统的显微镜技术很难看到。

Ringer 教授团队开发出使用 APT 的新方法，克服了这些挑战，为材料科学的进步铺平了道路，这可能对船体钢材和各行各业电子产品定制硅产生深远影响。

“我们的研究代表了材料科学领域的重大突破，”航空航天、机械和机电一体化工程学院 (AMME)的材料工程师 Ringer 教授说 。

“除了晶体结构和对称性之外，我们还想更多地了解晶体内原子尺度的邻域关系——它们是随机的还是非随机的?如果是后者，我们希望对其进行量化。SRO 为我们提供了详细的信息，为定制设计的材料开辟了巨大的可能性，这些材料是逐个原子设计的，具有特定的邻域排列，以实现所需的强度等特性。”

该研究的重点是高熵合金，它有望用于各种先进的工程应用。

“这些合金是全球范围内进行大量研究的主题，因为人们对它们在需要高温强度的场合有浓厚的兴趣，例如喷气发动机和发电厂，以及核反应堆中的中子辐照屏蔽，这些场合需要防止辐射损伤，”Ringer 教授说。

该团队使用了先进的数据科学技术，利用 APT 的数据——这是一种以 3D 形式可视化原子的复杂成像技术，使团队能够观察和测量 SRO，比较它在不同加工条件下合金中的变化情况。

该研究重点关注钴铬镍高熵合金的观察，揭示不同的 热处理如何改变SRO。

“这为未来研究 SRO 控制关键材料特性提供了一个模板。在 SRO 分析的各个方面还有很多工作要做——这是一个难题，但这是向前迈出的重要一步，”Ringer 教授说。

航空航天、机械与机电工程学院博士后研究员何孟伟博士表示：

“测量和理解短程有序的能力已经改变了我们的材料设计方法。它为我们提供了新的视角，让我们看到原子级结构的微小变化如何导致材料性能的巨大飞跃。”

至关重要的是，由于 SRO 提供了详细的原子级蓝图，这项研究增强了研究人员通过计算机模拟、建模并最终预测材料行为的能力。

高级博士后研究员 Andrew Breen 博士表示：“我们已经证明，在某些情况下，SRO 确实可以使用原子探针断层扫描进行测量。我们不仅开创了一种测量 SRO 的实验方法和计算框架，还进行了敏感性分析，限制了此类测量有效和无效的确切范围。”