La scienza dei materiali è un campo a cui Jason Trelewicz è stato interessato sin da quando era un bambino, quando suo padre, un ingegnere, lo portava a lavorare. Nel laboratorio dei materiali sul posto di lavoro di suo padre, Trelewicz userebbe microscopi ottici per ingrandire le superfici dei materiali, incuriosito da tutte le caratteristiche distinte che vedrebbe mentre la luce interagiva con campioni diversi.

Ora, Trelewicz—un assistente professore presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica del College of Engineering and Applied Sciences con un incarico congiunto presso l'Institute for Advanced Computational Science della Stony Brook University e ricercatore principale del Laboratorio di nanostrutture metalliche ingegnerizzate—sfrutta il ingrandimenti molto più elevati dei microscopi elettronici per vedere minuscole nanostrutture nei minimi dettagli e imparare cosa succede quando sono esposte al calore, radiazione, e forze meccaniche. In particolare, Trelewicz è interessata alle leghe metalliche nanostrutturate (metalli mescolati con altri elementi) che incorporano caratteristiche di dimensioni nanometriche nei materiali classici per migliorarne le prestazioni. Le informazioni raccolte dagli studi di microscopia elettronica lo aiutano a comprendere le interazioni tra caratteristiche strutturali e chimiche su scala nanometrica. Questa comprensione può quindi essere impiegata per mettere a punto le proprietà dei materiali da utilizzare in qualsiasi cosa, dai componenti aerospaziali e automobilistici all'elettronica di consumo e ai reattori nucleari.

Dal 2012, quando arrivò alla Stony Brook University, Trelewicz ha utilizzato i microscopi elettronici e il cluster di calcolo ad alte prestazioni (HPC) presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory, per eseguire le sue ricerche.

"Al tempo, Stavo cercando modi per applicare la mia idea di stabilizzare le nanostrutture nei metalli a un problema orientato all'applicazione, " ha detto Trelewicz. "Sono stato a lungo interessato alle tecnologie dell'energia nucleare, inizialmente leggendo sulla fusione nella scuola elementare. L'idea di ricreare i processi responsabili dell'energia che riceviamo dal sole qui sulla terra era accattivante, e ha alimentato il mio interesse per l'energia nucleare durante tutta la mia carriera accademica. Anche se siamo ancora molto lontani da un reattore a fusione che genera energia, un grande team internazionale su un progetto in costruzione in Francia chiamato ITER sta lavorando per dimostrare una reazione di fusione prolungata su larga scala".

Materiali rivestiti al plasma per reattori a fusione

La fusione nucleare, la reazione in cui i nuclei atomici si scontrano, potrebbe fornire una fornitura quasi illimitata di energia pulita, come quello prodotto naturalmente dal sole fondendo i nuclei di idrogeno in atomi di elio. Sfruttare questa energia priva di carbonio nei reattori richiede la generazione e il mantenimento di un plasma, un gas ionizzato, alle altissime temperature alle quali avviene la fusione (circa sei volte più calda del nucleo solare) confinandola con campi magnetici. Tra le numerose sfide che attualmente devono affrontare le dimostrazioni di reattori a fusione, uno di particolare interesse per Trelewicz è la creazione di materiali praticabili per costruire un reattore.

"Le formidabili sfide dei materiali per la fusione sono dove ho visto un'opportunità per la mia ricerca:lo sviluppo di materiali che possono sopravvivere all'interno del reattore a fusione, dove il plasma genererà flussi di calore elevati, elevate sollecitazioni termiche, e alti flussi di particelle e neutroni, " ha detto Trelewicz. "Le condizioni operative in questo ambiente sono tra le più dure in cui ci si potrebbe aspettare che un materiale funzioni".

Un candidato principale per tale "materiale rivolto al plasma" è il tungsteno, a causa del suo alto punto di fusione, il più alto tra i metalli in forma pura, e della bassa resa di sputtering (numero di atomi espulsi dagli ioni energetici dal plasma). Però, stabilità del tungsteno contro la ricristallizzazione, resistenza all'ossidazione, tolleranza alle radiazioni a lungo termine, e le prestazioni meccaniche sono problematiche.

Trelewicz pensa che la progettazione di leghe di tungsteno con nanostrutture su misura potrebbe essere un modo per superare questi problemi. In agosto, ha ricevuto 750 dollari, 000 premio quinquennale del DOE's Early Career Research Program per sviluppare leghe di tungsteno nanocristalline stabili in grado di resistere all'ambiente esigente di un reattore a fusione. La sua ricerca combina simulazioni che modellano interazioni atomiche ed esperimenti che coinvolgono l'esposizione all'irradiazione ionica in tempo reale e test meccanici per comprendere i meccanismi fondamentali responsabili della stabilità termica delle leghe, tolleranza alle radiazioni e prestazioni meccaniche. Le intuizioni di questa ricerca informeranno la progettazione di leghe più resilienti per applicazioni di fusione.

Oltre alle risorse computazionali che utilizzano presso l'istituto di origine, Trelewicz e il suo gruppo di laboratorio stanno utilizzando il cluster HPC al CFN e quelli di altre strutture del DOE, come Titan presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (un DOE Office of Science User Facility presso l'Oak Ridge National Laboratory) per condurre simulazioni atomistiche su larga scala come parte del progetto.

"Le scale di lunghezza delle strutture che vogliamo progettare nei nostri materiali sono dell'ordine di pochi nanometri fino a 100 nanometri, e una singola simulazione può coinvolgere fino a 10 milioni di atomi, " ha detto Trelewicz. "Utilizzando cluster HPC, possiamo costruire un sistema atomo per atomo, rappresentativo della struttura che vorremmo esplorare sperimentalmente, ed eseguire simulazioni per studiare la risposta di quel sistema sotto vari stimoli esterni. Per esempio, possiamo sparare un atomo ad alta energia nel sistema e guardare cosa succede al materiale e come si evolve, centinaia o migliaia di volte. Una volta che il danno si è accumulato nella struttura, possiamo simulare forze termiche e meccaniche per capire come la struttura del difetto influisca su altri comportamenti".

Queste simulazioni informano le strutture e la chimica delle leghe sperimentali, che Trelewicz e i suoi studenti fabbricano alla Stony Brook University attraverso la fresatura ad alta energia. Per caratterizzare la struttura su scala nanometrica e la distribuzione chimica delle leghe ingegnerizzate, utilizzano ampiamente le strutture di microscopia del CFN, compresi i microscopi elettronici a scansione, microscopi elettronici a trasmissione, e microscopi elettronici a trasmissione a scansione. L'imaging viene condotto ad alta risoluzione e spesso combinato con il riscaldamento all'interno del microscopio per esaminare in tempo reale come le strutture evolvono con la temperatura. Gli esperimenti sono condotti anche presso altri laboratori nazionali DOE, come Sandia attraverso la collaborazione con lo scienziato dei materiali Khalid Hattar dello Ion Beam Laboratory. Qui, gli studenti del gruppo di ricerca di Trelewicz irradiano simultaneamente le leghe ingegnerizzate con un raggio ionico e le visualizzano con un microscopio elettronico nel corso di molti giorni.

"Anche se questo danno non è paragonabile a quello che il materiale sperimenterebbe in un reattore, fornisce un punto di partenza per valutare se il materiale ingegnerizzato potrebbe effettivamente affrontare alcune delle limitazioni del tungsteno per le applicazioni di fusione, ", ha detto Trelewicz.

La microscopia elettronica al CFN ha giocato un ruolo chiave in un'entusiasmante scoperta che gli studenti di Trelewicz hanno fatto di recente:un'inaspettata transizione di fase da metastabile a stabile in film sottili di tungsteno nanostrutturato. Questa transizione di fase guida un processo di crescita anormale dei "grani" in cui alcune caratteristiche della nanostruttura cristallina crescono in modo molto drammatico a spese di altre. Quando gli studenti hanno aggiunto cromo e titanio al tungsteno, questa fase metastabile è stata completamente eliminata, a sua volta migliorando la stabilità termica del materiale.

"Uno dei grandi aspetti dell'avere componenti sia sperimentali che computazionali per la nostra ricerca è che quando impariamo cose nuove dai nostri esperimenti, possiamo tornare indietro e adattare le simulazioni per riflettere più accuratamente i materiali reali, ", ha detto Trelewicz.

Altri progetti nel gruppo di ricerca di Trelewicz

La ricerca con il tungsteno è solo uno dei tanti progetti in corso nel Laboratorio di Ingegneria delle Nanostrutture Metalliche.

"Tutti i nostri progetti rientrano nell'ambito dello sviluppo di nuove leghe metalliche con proprietà migliorate e/o multifunzionali, " ha affermato Trelewicz. "Stiamo esaminando diverse strategie per ottimizzare le prestazioni dei materiali adattando collettivamente la chimica e la microstruttura dei nostri materiali. Gran parte della scienza sta nella comprensione dei meccanismi su scala nanometrica che governano le proprietà che misuriamo su scala macro».

Attraverso un premio della National Science Foundation CAREER (Faculty Early Career Development Program), Trelewicz e il suo gruppo di ricerca stanno esplorando un'altra classe di leghe ad alta resistenza:metalli amorfi, o "occhiali metallici, " che sono metalli che hanno una struttura atomica disordinata simile al vetro. Rispetto ai metalli di tutti i giorni, i vetri metallici sono spesso intrinsecamente più resistenti ma di solito molto fragili, ed è difficile realizzarli in parti grandi come fogli sfusi. Il team di Trelewicz sta progettando interfacce e ingegnerizzandole nei vetri metallici, inizialmente a base di ferro e successivamente a base di zirconio, per migliorare la tenacità dei materiali, ed esplorare i processi di produzione additiva per consentire la produzione di lamiera. Utilizzeranno la Nanofabrication Facility presso il CFN per fabbricare film sottili di questi vetri metallici progettati per l'interfaccia per l'analisi in situ utilizzando tecniche di microscopia elettronica.

In un progetto simile, stanno cercando di capire come l'introduzione di una fase cristallina in una lega amorfa a base di zirconio per formare un composito a matrice di vetro metallico (composto da fasi sia amorfa che cristallina) aumenta il processo di deformazione rispetto a quello dei normali vetri metallici. I vetri metallici di solito falliscono in modo catastrofico perché la deformazione si localizza nelle bande di taglio. L'introduzione di regioni cristalline nei vetri metallici potrebbe inibire il processo mediante il quale la deformazione si localizza nel materiale. Hanno già dimostrato che la presenza della fase cristallina altera fondamentalmente il meccanismo attraverso il quale si formano le bande di taglio.

Trelewicz e il suo gruppo stanno anche esplorando il comportamento alla deformazione dei "nanolamminati" metallici che consistono in strati alternati di cristalli e amorfi, e stanno cercando di avvicinarsi al limite teorico di resistenza nelle leghe di alluminio leggere attraverso strategie sinergiche di drogaggio chimico (aggiunta di altri elementi a un materiale per modificarne le proprietà).

"Sfruttiamo le risorse del CFN per ogni progetto in corso nel mio gruppo di ricerca, " ha affermato Trelewicz. "Usiamo ampiamente le strutture di microscopia elettronica per esaminare la micro- e nanostruttura del materiale, molto spesso su come le interfacce sono accoppiate con disomogeneità compositive, informazioni che ci aiutano a stabilizzare e progettare reti di interfaccia in leghe metalliche nanostrutturate. La modellazione e la simulazione computazionali abilitate dai cluster HPC al CFN informano ciò che facciamo nei nostri esperimenti".

Al di là del suo lavoro al CFN, Trelewicz collabora con i suoi colleghi del dipartimento per caratterizzare i materiali presso la National Synchrotron Light Source II, un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven.

"Esistono vari modi per caratterizzare le disomogeneità strutturali e chimiche, " ha detto Trelewicz. "Osserviamo piccole quantità di materiale attraverso i microscopi elettronici a CFN e su un livello più grossolano a NSLS-II attraverso tecniche come la diffrazione dei raggi X e la micro/nano sonda. Combiniamo queste informazioni locali e globali per caratterizzare accuratamente un materiale e utilizziamo queste informazioni per ottimizzarne le proprietà".

Futuro dei materiali di nuova generazione

Quando non fa ricerca, Trelewicz è in genere impegnato con la sensibilizzazione degli studenti. Si collega con i dipartimenti tecnologici di varie scuole, fornendo loro progetti di progettazione di ingegneria dei materiali. Gli studenti non solo partecipano agli aspetti ingegneristici della progettazione dei materiali, ma sono anche formati su come utilizzare le stampanti 3D e altri strumenti che sono fondamentali nella società odierna per fabbricare prodotti in modo più economico e con prestazioni migliori.

Andando avanti, Trelewicz vorrebbe espandere le sue collaborazioni al CFN e aiutare a stabilire la sua ricerca nelle nanostrutture metalliche come area centrale supportata da CFN e, in definitiva, daina, per ottenere proprietà senza precedenti nei materiali classici.

"Essere in grado di imparare qualcosa di nuovo ogni giorno, usare quella conoscenza per avere un impatto sulla società, e vedere i miei studenti colmare le lacune nella nostra attuale comprensione è ciò che rende la mia carriera di professore così gratificante, " ha detto Trelewicz. "Con le risorse della Stony Brook University, vicino CFN, e altri laboratori DOE, Ho una piattaforma straordinaria per dare contributi al campo della scienza dei materiali e della metallurgia."