Günlük hayatta kullandığımız metallerdeki gizli atom desenlerinin keşfi, ultra güçlü ve özelleştirilebilir malzemeler için yeni bir dönemi başlatabilir.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları, metallerin üretim sırasında yok olduğuna inanılan gizli atomik desenleri koruduğunu tespit etti. Desenler, atomları rastgele dizilimler yerine tercih edilen dizilimlere yönlendiren mikroskobik dislokasyonlardan kaynaklanıyor. Çalışma bulguları, metallerde yeni bir fizik türü ortaya koyarken, mühendislerin desenlerden yararlanarak zorlu ortamlarda malzeme performansını artırabileceklerini gösteriyor.
Yıllardır bilim insanları metal alaşımların içinde minik kimyasal desenler oluşabildiğini bilse de çoğunluk önemsiz veya üretim sırasında yok olduklarını varsayıyordu. Ancak son deneyler, kontrollü laboratuvar koşullarında bu tür desenlerin metallerin davranışını etkileyebileceğini gösteriyor. Yani, metallerin dayanıklılığını, mukavemetini, ısı direncini ve hatta radyasyona dayanıklılığını bile etkileyebilir.
MIT ekibi desenlerin standart endüstriyel süreçlerle yapılan metallerde de kalıcı olduğunu keşfetti. Ekip, desenlerin nasıl oluştuğunu tahmin eden bir model geliştirdiler. Model, gelecekte mühendislerin, bir metalin havacılık, yarı iletken veya nükleer uygulamalar için özelliklerinin ayarlayabilmesine imkan tanıyabilir.
Ekip basit bir soruyla başladı: Elementler metal işleme sırasında ne kadar hızlı karışır? Geleneksel teoriye göre, üretim sırasında metaller atomik düzeyde neredeyse tamamen homojen hale gelir. Bu noktayı bularak, kısa mesafeli atomik düzeninin farklı seviyelerine sahip alaşımların tasarlanmasına yardımcı olabileceğine inanıyorlardı.
Gelişmiş makine öğrenimi araçlarını kullanan araştırmacılar, milyonlarca atomun metal işleme sırasında nasıl hareket ettiğini ve yeniden düzenlendiğini simüle etti. Metal parçasını deforme ederek kimyasal düzenini takip ettiler. Şiddetli üretim süreçleri atomları karıştırır. Bu yüzden, malzemeyi deforme ettikçe, kimyasal bağların kırılacağını, sistemin rastgele hale geleceğini umdular.
Metaller beklenildiği gibi davranmadı. Aşırı işleme rağmen, alaşımlar asla tamamen rastgele bir hal almadı.
Derinlemesine incelemede, atomların nasıl etkileşime girdiğini yakalayan yüksek hassasiyetli hesaplamalı modeller ve düzenin zaman içinde nasıl evrildiğini ölçen istatistiksel yöntemler geliştirdiler. Büyük ölçekli moleküler dinamik simülasyonları aracılığıyla, atomların deformasyon ve ısıtma sırasında nasıl yeniden organize olduğunu gözlemlediler.
Ekip, belirli atomik dizilişlerin yüksek sıcaklıklarda ortaya çıktığını ve tamamen yeni desenlerin oluştuğunu keşfetti. Desenler “denge-dışı durumlar” (far-from-equilibrium states) şeklinde tanımlandı.
Desenlerin, metaldeki dislokasyon denen kusurlardan yani atomik kafesteki düzensiz, üç boyutlu bozulmalardan kaynaklandığını buldular. Metal deforme olduğunda, dislokasyonlar bükülür ve kayar, yakındaki atomları öncelikli konumlara iter.
Daha önce araştırmacılar bu sürecin tüm atomik düzeni yok ettiğini düşünüyordu ancak MIT ekibi tam tersini buldu; dislokasyonlar aslında belirli atomik değişimleri tercih ederek ince ama kararlı desenler oluşturuyor.
Araştırmacılar şimdi, bu kimyasal desenlerin çok çeşitli üretim koşullarında nasıl geliştiğini araştırıyor.
Makale, 8 Ekim’de Nature Communications dergisinde yayınlandı.
Kaynak: Science Daily
