I ricercatori di scienza dei materiali hanno sviluppato un modello che può spiegare le irregolarità nel modo in cui gli atomi si dispongono ai cosiddetti "confini dei grani" - l'interfaccia dove due materiali si incontrano. Descrivendo l'impaccamento degli atomi a queste interfacce, lo strumento può essere utilizzato per aiutare i ricercatori a determinare in che modo i bordi dei grani influiscono sulle proprietà delle leghe metalliche e di altri materiali.

"Sappiamo che questi bordi di grano influenzano le caratteristiche dei materiali da molti decenni, "dice Srikanth Patala, autore corrispondente di un documento sul lavoro e un assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria presso la NC State University. "Ma è stato estremamente difficile capire come appaiono quei difetti a livello atomico e, perciò, per capire come queste irregolarità strutturali influenzino la resistenza di un materiale, rigidità, duttilità e così via.

"Ora abbiamo uno strumento che ci permette di vedere e capire effettivamente come sono realmente queste strutture atomiche disordinate - e questo è un grande passo avanti verso capire esattamente cosa sta succedendo, "dice Patala.

La maggior parte dei materiali ha una particolare struttura atomica abbastanza regolare. Per esempio, l'alluminio ha una struttura cubica, con atomi che si allineano in lunghe catene di cubi, mentre il titanio si forma in quelle che sono fondamentalmente pile di esagoni. Ma quando due materiali si incontrano, come in una lega metallica, questi ordinati, strutture organizzate si scontrano tra loro, creando il confine di grano disordinato.

Il modello sviluppato nel gruppo di ricerca di Patala trova forme tridimensionali irregolari all'interno del confine di grano, li classifica e quindi identifica i modelli di quelle forme irregolari.

"I progressi della microscopia possono aiutarci a catturare immagini di come gli atomi sono disposti in un confine di grano, ma poi non sappiamo davvero cosa stiamo guardando - puoi unire i punti come vuoi, " Patala dice. "Il nostro strumento aiuta a discernere modelli di caratteristiche geometriche in un paesaggio atomico che può apparire caotico.

"Ora che questi modelli possono essere identificati, il prossimo passo è che i ricercatori computazionali - come me - lavorino con i ricercatori sperimentali per determinare come quei modelli influenzano le proprietà di un materiale, "dice Patala.

Una volta che l'effetto dei modelli è ben compreso, tali informazioni possono essere utilizzate per identificare meglio i punti di forza e di debolezza di specifici tipi di bordi di grano, accelerare lo sviluppo di nuove leghe o altri materiali.

Lo strumento, chiamato il modello dell'unità poliedrica, può essere utilizzato per modellare i bordi dei grani per qualsiasi materiale in cui l'attrazione tra gli atomi è governata esclusivamente dalla distanza tra gli atomi, come metalli e solidi ionici, comprese alcune ceramiche. Però, l'approccio non funziona per i materiali, come il carbonio, che formano i cosiddetti legami direzionali.

"Attualmente stiamo lavorando per rendere pubblicamente disponibile il modello dell'unità poliedrica tramite software open source, " Dice Patala. " Abbiamo intenzione di farlo uscire entro la fine dell'anno, e, si spera, prima".

La carta, "Un modello di unità poliedrica tridimensionale per la struttura di confine del grano in metalli fcc, " è pubblicato sulla rivista Nature npj Materiali di calcolo .