В металлических стёклах найдены новые атомные структуры

Опираясь на мощные вычислительные средства и современное сканирование с помощью просвечивающего электронного микроскопа, команда из Университета Висконсин-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison), Университета штата Айова (Iowa State University) и технических исследователей обнаружила новые нанометровые атомные структуры в твёрдых металлических материалах, известных как металлические стёкла, сообщает «WordScience.org».

Результаты, опубликованные 11-го мая 2012-го года в журнале «Physical Review Letters» заполнили пробел в понимании исследователей этой атомной структуры. Этот результаты в конечном счёте могут помочь производителям придать новые свойства металлическим стёклам, такие как пластичность, способность изменять форму под воздействием силы (при этом не нарушая пластичность) и производство стекла без кристаллизации.

Стёкла включают в себя все твёрдые материалы, которые имеют некристаллические атомные структуры, имеющие неправильное геометрическое расположение атомов. «Основной характер структуры стекла - это беспорядочна и смешанная организация атомов, которую можно сравнить с шариками разного размера, находящимися в одной банке», - говорит Пол Уолес, профессор материаловедения в «UW-Madison» и главный руководитель исследования.

Исследователи считают, что атомы в металлических стёклах располагаются в пятиугольном порядке, известным как пятикратная вращательная симметрия. Тем не менее, в дополнение к группам из пятиугольников в исследованиях циркония-меди-алюминия металлического стекла, команда Уолеса нашла группы атомов, расположившиеся в форме квадратов и шестиугольников, некоторые из которых образуют цепочки, имеющие размер всего в несколько нанометров. «Один или два нанометра представляет собой группу из 50-ти атомов - это что-то новое и невероятно интересное», - говорит он.

Измерить атомную структуру стекла в таком масштабе чрезвычайно трудно. Исследователи знают, что в нескольких десятых нанометра, атомы в металлических стёклах между собой имеют одинаковые расстояния. Они также знают, что на больших расстояниях (сотни нанометров) - имеется полный беспорядок. «Но то, что происходит между ними в отрезке длиной от 1-го до 3-ех нанометров, очень трудно измерить и по существу пока мало изучено», - говорит Уолес.

Эксперт в электронной микроскопии Уолес использовал мощный, просвечивающий электронный микроскоп, чтобы взглянуть в нанометровую атомную структуру. Микроскоп может генерировать электронный луч радиусом 2 нанометра в диаметре - идеальный размер для изучения атомов на отрезке от 1-го до 3-ех нанометров. «Этот метод заставил работать эксперимент и предоставил нам доступ к информации, которую в противном случае невероятно трудно получить», - говорит он.

Для проведения моделирования Уолес и его команда соединили экспериментальные данные полученные с помощью микроскопа с современными вычислительными методами, которые точно отражают эксперименты. «Комбинация из этих двух вещей предоставляет нам новый взгляд», - говорит он. «Мы можем посмотреть на результаты, абстрактные общие принципы вращательной симметрии и наноразмерные кластеры».

«В свойствах металлических стекол существовало несколько подсказок, которые наталкивали на мысль о существовании других геометрических структур. Они являются результатом взаимосвязей структуры, обработки и свойств», - говорит Уолес. «Если мы понимаем структуру управления, например, стеклообразующую способность или возможность изменять форму при изгибе и понимаем, каким образом различные элементы участвуют в этих структурах - мы можем контролировать свойства, регулируя состав и уровень, при которых охлаждался или нагревался материал до изменения структуры», - говорит он.

Одной из уникальных характеристик стекол является их способность переходить непрерывно из твёрдого в жидкое состояние. В то время, как другие материалы при нагревании частично расплавляются, или частично твердеют, стёкла в целом становятся всё более гибкими.

В настоящее время в сердечниках электрических трансформаторов производители в основном применяют металлические стёкла. Их особенные возможности формирования могут позволить производителям изготовлять очень маленькие, сложные части. «В отличие от обычных металлических сплавов, металлические стёкла могут быть сформированы, как пластик, таким образом они могут быть преобразованы в очень сложную форму без какой-либо потери самого материала», - говорит Уолес.

К примеру, благодаря наномасштабным методам производства можно создать «леса» нанопроводов или самый маленький двигатель в мире. «В следующие 5 или 10 лет, опираясь на этот метод, появится ещё больше коммерческих приложений», - добавил он.

На следующем этапе Уолес и его команда рассчитают свойства самых реалистичных структурных моделей металлического стекла, которые они разработали, чтобы узнать, как свойства связаны с самой структурой.