Le leghe metalliche avanzate sono essenziali in parti fondamentali della vita moderna, dalle auto ai satelliti, dai materiali da costruzione all'elettronica. Ma creando nuove leghe per usi specifici, con forza ottimizzata, durezza, resistenza alla corrosione, conducibilità, e così via, è stato limitato dalla comprensione confusa dei ricercatori di ciò che accade ai confini tra i minuscoli grani cristallini che costituiscono la maggior parte dei metalli.

Quando due metalli sono mescolati insieme, gli atomi del metallo secondario potrebbero raccogliersi lungo questi bordi di grano, oppure potrebbero diffondersi attraverso il reticolo di atomi all'interno dei grani. Le proprietà complessive del materiale sono determinate in gran parte dal comportamento di questi atomi, ma fino ad ora non c'era un modo sistematico per prevedere cosa faranno.

I ricercatori del MIT hanno ora trovato un modo, utilizzando una combinazione di simulazioni al computer e un processo di apprendimento automatico, produrre i tipi di previsioni dettagliate di queste proprietà che potrebbero guidare lo sviluppo di nuove leghe per un'ampia varietà di applicazioni. I risultati sono descritti oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo dello studente laureato Malik Wagih, postdoc Peter Larsen, e professore di scienza dei materiali e ingegneria Christopher Schuh.

Schuh spiega che la comprensione del comportamento a livello atomico dei metalli policristallini, che rappresentano la stragrande maggioranza dei metalli che usiamo, è una sfida ardua. Considerando che gli atomi in un singolo cristallo sono disposti in uno schema ordinato, in modo che la relazione tra atomi adiacenti sia semplice e prevedibile, questo non è il caso dei piccoli cristalli multipli nella maggior parte degli oggetti metallici. "Hai cristalli frantumati insieme a quelli che chiamiamo bordi di grano. E in un materiale strutturale convenzionale, ci sono milioni e milioni di tali confini, " lui dice.

Questi confini aiutano a determinare le proprietà del materiale. "Puoi immaginarli come la colla che tiene insieme i cristalli, " dice. "Ma sono disordinati, gli atomi sono confusi. Non corrispondono a nessuno dei cristalli a cui stanno unendo." Ciò significa che offrono miliardi di possibili disposizioni atomiche, lui dice, rispetto a pochi in un cristallo. La creazione di nuove leghe implica "cercare di progettare quelle regioni all'interno di un metallo, ed è letteralmente miliardi di volte più complicato che progettare in un cristallo."

Schuh fa un'analogia con le persone di un quartiere. "È un po' come essere in un sobborgo, dove potresti avere 12 vicini intorno a te. Nella maggior parte dei metalli, ti guardi intorno, vedi 12 persone e sono tutte alla stessa distanza da te. È totalmente omogeneo. Considerando che in un confine di grano, hai ancora qualcosa come 12 vicini, ma sono tutte a distanze diverse e sono tutte case di dimensioni diverse in direzioni diverse".

Tradizionalmente, lui dice, chi progetta nuove leghe semplicemente salta il problema, o semplicemente guarda le proprietà medie dei bordi di grano come se fossero tutti uguali, anche se sanno che non è così.

Anziché, il team ha deciso di affrontare il problema in modo rigoroso esaminando l'effettiva distribuzione di configurazioni e interazioni per un gran numero di casi rappresentativi, e quindi utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico per estrapolare da questi casi specifici e fornire valori previsti per un'intera gamma di possibili variazioni di lega.

In alcuni casi, il raggruppamento di atomi lungo i bordi dei grani è una proprietà desiderata che può aumentare la durezza e la resistenza alla corrosione di un metallo, ma a volte può anche portare all'infragilimento. A seconda dell'uso previsto di una lega, gli ingegneri cercheranno di ottimizzare la combinazione delle proprietà. Per questo studio, il team ha esaminato oltre 200 diverse combinazioni di un metallo di base e un metallo in lega, sulla base di combinazioni che erano state descritte a un livello base in letteratura. I ricercatori hanno quindi simulato sistematicamente alcuni di questi composti per studiarne le configurazioni dei bordi dei grani. Questi sono stati utilizzati per generare previsioni utilizzando l'apprendimento automatico, che sono stati a loro volta convalidati con simulazioni più mirate. Le previsioni di apprendimento automatico corrispondevano da vicino alle misurazioni dettagliate.

Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che molte combinazioni di leghe che erano state escluse come impraticabili in realtà si sono rivelate fattibili, dice Wagih. Il nuovo database compilato da questo studio, che è stato reso di pubblico dominio, potrebbe aiutare chiunque ora stia lavorando alla progettazione di nuove leghe, lui dice.

La squadra sta andando avanti con l'analisi. "Nel nostro mondo ideale, quello che faremmo è prendere ogni metallo nella tavola periodica, e poi aggiungeremmo ad esso ogni altro elemento della tavola periodica, " dice Schuh. "Quindi prendi la tavola periodica e la incroci con se stessa, e controlleresti ogni possibile combinazione." Per la maggior parte di queste combinazioni, i dati di base non sono ancora disponibili, ma man mano che si fanno sempre più simulazioni e si raccolgono dati, questo può essere integrato nel nuovo sistema, lui dice.

Yuri Mishin, professore di fisica e astronomia alla George Mason University, chi non era coinvolto in questo lavoro, afferma "La segregazione ai bordi dei grani degli elementi soluti nelle leghe è uno dei fenomeni più fondamentali nella scienza dei materiali. La segregazione può indebolire in modo catastrofico i bordi dei grani o migliorarne la coesione e la resistenza allo scorrimento. Il controllo preciso delle energie di segregazione è uno strumento efficace per la progettazione di nuovi materiali tecnologici con meccanica avanzata, termico, o proprietà elettroniche."

Ma, Aggiunge, "Una delle principali limitazioni dei modelli di segregazione esistenti è la dipendenza da un'energia di segregazione media, che è un'approssimazione molto rozza." Questa è la sfida, lui dice, che questo team ha affrontato con successo:"La qualità della ricerca è eccellente, e l'idea di base ha un potenziale significativo per avere un impatto sul campo della progettazione delle leghe fornendo un quadro per lo screening rapido degli elementi di lega per la loro capacità di segregare ai bordi dei grani".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.