Scienziati e ingegneri che lavorano con i materiali:metalli, polimeri, ceramica, compositi, e occhiali - sappi che in una certa misura, capacità predittiva si rompe tra le fluttuazioni note come "stocasticità". Sulla scala atomica, ad esempio, anche il cristallo più perfetto ha fluttuazioni termodinamiche, sotto forma di "difetti puntuali" - atomi mancanti dal reticolo cristallino. In un altro esempio, gli atomi all'interno di un materiale di lega possono distribuirsi in molti modi:una lega fatta di silicio germanio, può essere la metà e la metà di ogni elemento complessivo, ma con fluttuazioni stocastiche il rapporto in cui si trovano quegli elementi varia a diverse scale di lunghezza in tutto il materiale.

In un articolo pubblicato su Recensioni di fisica applicata , un gruppo di ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute, indicando quattro cause alla base di tali fluttuazioni che abbracciano i materiali, sostengono che la stocasticità è inerente a tutti i materiali e merita una maggiore esplorazione come campo di studio.

"Proponiamo un nuovo quadro per comprendere la stocasticità come un importante fenomeno unificante tra i materiali, " ha detto Robert Hull, l'Henry Burlage Professor of Engineering e direttore del Rensselaer Center for Materials, Dispositivi, e Sistemi Integrati, e autore principale dell'articolo. "C'è un'opportunità nell'avere una visione più ampia della stocasticità - nell'ampliare la nostra visione dalle osservazioni individuali basate su un'unica classe di materiali a una prospettiva più ampia attraverso i materiali - per un maggiore controllo sia sulle sfide che sui potenziali benefici che offre nella scienza dei materiali e ingegneria."

Hull è stato raggiunto sulla carta dai colleghi di Rensselaer Pawel Kelinski, professore e capo della scienza e dell'ingegneria dei materiali; Dan Lewis, professore associato in scienza e ingegneria dei materiali; Antonietta Maniatty, professore di meccanica, aerospaziale, e ingegneria nucleare; Vincent Meunier, il Jeffrey L. Kodosky '70 Career Development Constellation Chair e capo della fisica, fisiche applicate, e astronomia; Assad A. Oberai, ex preside associato della Scuola di Ingegneria, ora alla University of Southern California; Catalin Picù, associato capo meccanico, aerospaziale, e ingegneria nucleare; Johnson Samuel, professore associato di meccanica, aerospaziale, e ingegneria nucleare; Marco S. Shephard, l'Elisabeth C. e Samuel A. Johnson '37 Professore di Ingegneria; Minoru Tomozawa, professore di scienza e ingegneria dei materiali; Deepak Vashishth, direttore del Rensselaer Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies; e Shengbai Zhang, la cattedra senior Gail e Jeffrey L. Kodosky '70 in Fisica, Tecnologie dell'informazione, e Imprenditorialità.

Tutti i materiali mostrano stocasticità in un certo tempo o su una scala di lunghezza, ma gli scienziati dei materiali in genere affrontano queste fluttuazioni caso per caso, mentre le implicazioni più ampie della stocasticità rimangono poco esplorate, ha detto lo scafo.

"Il fatto che la struttura interna dei materiali a un certo punto o su una scala di lunghezza diventi non uniforme e non prevedibile è un fenomeno che sta alla base di quasi tutto ciò che facciamo, eppure abbiamo solo informazioni frammentarie sui suoi effetti, Hull ha detto. "Pensiamo che la stocasticità dei materiali come campo di studio distinto potrebbe fornire preziose intuizioni che aumenteranno la nostra capacità di comprendere e manipolare i materiali".

L'articolo passa in rassegna quattro "grandi classi" di stocasticità nei materiali:fluttuazioni termodinamiche, fluttuazioni strutturali/compositive, fluttuazioni cinetiche, e frustrazione/degenerazione. Considera anche gli effetti stocastici derivanti dall'imprecisione nella misurazione e dalle incertezze nella modellazione e nella simulazione.

fluttuazioni cinetiche, Per esempio, sono fluttuazioni temporali nello sviluppo della struttura interna dei materiali (la "microstruttura dei materiali"). Un esempio ben noto è visto nella metallurgia, dove il calore e lo stress vengono utilizzati per alterare la struttura interna delle leghe metalliche come l'acciaio. A livello microscopico, acciaio, fatto di ferro e carbonio e altri elementi, forma regioni localmente distinte chiamate "grani" e "fasi". La distribuzione dei grani e delle fasi e le loro dimensioni caratteristiche dipendono dalle fluttuazioni cinetiche durante la lavorazione del materiale e influiscono su proprietà ingegneristiche critiche come resistenza alla trazione e duttilità. La storia della lavorazione dell'acciaio, che attraversa millenni, è essenzialmente un tentativo di utilizzare il calore e lo stress per controllare la granulometria e la distribuzione di fase e quindi ottimizzarne le proprietà.

I produttori di acciaio sono abili nell'applicare tecniche specifiche per ottenere un prodotto coerente, ma una comprensione più precisa delle fluttuazioni cinetiche potrebbe creare nuove varianti prevedibili della microstruttura dei materiali con proprietà migliorate o nuove. La ricerca sulle altre tre classi di stocasticità dei materiali offre una promessa simile.

Come rimedio, i ricercatori propongono la stocasticità come campo di studio e offrono anche un quadro matematico per descrivere la stocasticità dei materiali. Questo quadro, disse Hull, permette di considerare la stocasticità secondo una metodologia unificante.

Finalmente, i ricercatori percepiscono potenziali vantaggi nello sfruttare la stocasticità. Tipicamente, le fluttuazioni della stocasticità sono considerate una sfida da controllare e mitigare. Ma è possibile, i ricercatori hanno scritto, che una maggiore comprensione della stocasticità rivelerà situazioni in cui le fluttuazioni intrinseche dei materiali producono nuove proprietà dei materiali.

"La natura ci ha dato un numero finito di elementi, e modi per combinarli, " disse Hull. "Forse, all'interno della stocasticità, possiamo trovare nuovi gradi di libertà all'interno dell'insieme materiale che sono stati precedentemente non riconosciuti."

"Stocasticità nella struttura dei materiali, proprietà, and processing—A review" è apparso nell'edizione di marzo 2018 di Recensioni di fisica applicata .