Исследования новых материалов показывают трансформации на атомном уровне
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, под руководством профессора Гуанвэнь Чжоу из Колледжа инженерии и прикладных наук Томаса Дж. Уотсона, факультета машиностроения и программы материаловедения Бингемтонского университета, используется просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), чтобы заглянуть в превращение металла в металл на атомарном уровне. Особый интерес представляют дислокации несоответствия, которые всегда присутствуют на границах раздела в многофазных материалах и играют ключевую роль в определении структурных и функциональных свойств.
Гуанвэнь Чжоу — профессор машиностроения в Школе инженерии и прикладных наук Уотсона. Кредит: Джонатан Коэн
Когда производственные технологии превращают металлы, керамику или композиты в технологически полезную форму, понимание механизма процесса фазового превращения необходимо для формирования поведения этих высокоэффективных материалов. Однако увидеть эти преобразования в реальном времени сложно.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, под руководством профессора Гуанвэнь Чжоу из Колледжа инженерии и прикладных наук Томаса Дж. Уотсона, факультета машиностроения и программы материаловедения Бингемтонского университета, используется просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), чтобы заглянуть в превращение металла в металл на атомарном уровне. Особый интерес представляют дислокации несоответствия, которые всегда присутствуют на границах раздела в многофазных материалах и играют ключевую роль в определении структурных и функциональных свойств.
Ученики Чжоу Сяньху Сунь и Дунсян Ву являются первыми соавторами статьи («Кинетика межфазных преобразований, вызванная дислокациями»). Сан недавно защитил докторскую диссертацию, а Ву - доктор философии, кандидат. Другими участниками являются Lianfeng Zou, MS '12, Ph.D. 17 лет, сейчас профессор Яньшанского университета и доктор философии кандидат Сяобо Чен; профессор Джудит Янг, приглашенный научный сотрудник профессор Стивен Хаус и научный сотрудник Мэн Ли из Инженерной школы Суонсона Университета Питтсбурга; и штатный научный сотрудник Дмитрий Захаров из Центра функциональных наноматериалов Управления научных пользователей Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории.
По словам Чжоу, с помощью передовой технологии «производители смогут контролировать микроструктуру и свойства существующих материалов и разрабатывать новые типы материалов. Это исследование имеет определенное практическое значение, но также имеет и фундаментальное значение».
В экспериментах проверено превращение оксида меди в медь. Непосредственное наблюдение за такой трансформацией интерфейса в атомном масштабе является сложной задачей, поскольку для этого требуется возможность не только получить доступ к скрытой границе раздела, но и применять химические и термические стимулы для запуска трансформации.
Используя методы ПЭМ окружающей среды, позволяющие подавать газообразный водород в микроскоп для восстановления оксида при одновременном выполнении визуализации ПЭМ, исследовательская группа смогла атомарно контролировать межфазную реакцию. Удивительно, но исследователи заметили, что превращение оксида меди в медь происходит прерывистым образом, потому что оно временно останавливается дислокациями несоответствия, что похоже на процесс остановки и движения, регулируемый светофором.
«Это неожиданно, потому что здравый смысл, принятый сообществом исследователей материалов, заключается в том, что дислокации интерфейса — это места, которые способствуют трансформации, а не замедляют ее», — сказал Чжоу.
Чтобы понять, что происходит, Ву разработал компьютерные коды для объяснения того, что они наблюдали в ходе экспериментов. Этот переходный процесс между экспериментами и компьютерным моделированием помог команде понять, как дислокации несоответствия контролируют перенос атомов на большие расстояния, необходимый для фазового превращения.
«Этот зацикленный итеративный процесс между экспериментами и компьютерным моделированием, как на атомном уровне, является захватывающим аспектом исследования материалов», — сказал Чжоу.
Фундаментальная информация может оказаться полезной при разработке новых типов многофазных материалов и управлении их микроструктурой, которые можно использовать в различных приложениях, таких как несущие конструкционные материалы, производство электроники и каталитические реакции для производства чистой энергии и экологической устойчивости.
Собрав исходные данные в Бингемтоне, Сан и исследовательская группа повторили эксперименты на оборудовании в Питте и Брукхейвене, которое имеет разные возможности.
«Это совместная работа. Без помощников в Брукхейвенской лаборатории и Университете Питтсбурга мы не сможем увидеть то, что нам нужно увидеть», — сказал Сан. «Кроме того, на поздних стадиях моего анализа данных я много раз обсуждал результаты с Джуди, Мэн и Дмитрием. Я помню, когда мы закончили первый черновик и отправили рукопись Дмитрию, он сказал мне, что, возможно, нам следует включить некоторые уравнения, чтобы подтвердить наши наблюдаемые результаты, и он прислал соответствующую литературу. Так что теперь мы можем показать, что эти расчеты согласуются с нашими экспериментальными результатами».
Ян также назвал исследование «действительно хорошим партнерством», в котором объединились лучшие элементы Бингемтона, Питта и Брукхейвена.
«Возможность использовать передовые инструменты — одна из вещей, которая лежит в основе новой науки, как показано здесь», — сказала она. «В Брукхейвене есть исключительный микроскоп, способный выдерживать воздействие окружающей среды при более высоких давлениях, чем тот, который есть у нас в Университете Питтсбурга, и он обладает более высокими аналитическими возможностями, это более надежный микроскоп. Также доступно больше времени для исследований».
Она использовала аналогию, чтобы объяснить, почему важно наблюдать за химическими реакциями в реальном времени: «Когда вы покупаете рыбу и она упакована, вы можете понять об этой рыбе ровно столько, сколько сможете увидеть рыбу в реальной среде».
Поскольку национальные лаборатории Министерства энергетики могут предложить самые современные инструменты и первоклассный опыт, который дополняет то, что доступно в университетах и отраслях высоких технологий, они могут помочь исследователям, особенно тем, кто только начинает свою карьеру, вывести свою работу на новый уровень, в большинстве случаев бесплатно.
Захаров сказал, что рад принять участие в исследовании этого материала: «Сила методики в том, что это прямой метод увидеть все эти дислокации и фазовые превращения, как ведут себя эти дислокации на границах раздела. Никакой другой техники с таким непосредственным наблюдением не существует».
Сан, которая сейчас работает в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, также входящей в Национальную лабораторию Министерства энергетики США, рада, что это исследование наконец опубликовано.
«Я начал анализировать эти данные в марте 2018 года, поэтому на завершение этой работы ушло почти пять лет», — сказал он. «Это сложно, но оно того стоит».
