В металлических сплавах существуют крошечные химические узоры, которые появляются в результате особого расположения атомов разных элементов. Долгое время ученые полагали, что во время производства, когда металл раскатывают, нагревают и деформируют, эти узоры исчезают. Однако новое исследование ученых из Массачусетского технологического института показало, что такие паттерны сохраняются даже после самой агрессивной обработки металла.

«Вывод таков: вы никогда не сможете полностью рандомизировать атомы в металле, и неважно, как именно вы его обрабатываете», — объясняет руководитель исследования, доцент кафедры материаловедения MIT Родриго Фрейтас. «Это первая работа, которая смогла показать, что в металле сохраняются неравновесные состояния. Химический порядок пока что не поддается контролю со стороны человека».

Команда использовала передовые методы машинного обучения для того, чтобы смоделировать поведение миллионов атомов во время обработки металла. Специалисты ожидали увидеть, как атомы постепенно перемешиваются до полного хаоса, но результаты их удивили. «Мы деформировали кусок металла — это обычный этап производства. Мы были уверены, что при деформации материала его химические связи разрываются, и порядок атомов становится хаотическим», — рассказывает Фрейтас. Но полного перемешивания так и не произошло.

Разгадка крылась в дислокациях — особых дефектах кристаллической решетки металла. Оказалось, что эти дефекты имеют «химические предпочтения» при движении через материал. «Они ищут пути с низкой энергией, поэтому, имея возможность выбрать, какие именно химические связи разорвать, они склонны разрывать самые слабые из них, и этот процесс не является случайным», — поясняет ученый.

Открытие имеет важное практическое значение. Химические узоры могут влиять на прочность, долговечность, жаростойкость и даже радиационную стойкость металлов. Понимание того, как формируются и сохраняются такие паттерны, позволит инженерам создавать материалы с точно настроенными свойствами для аэрокосмической промышленности, производства полупроводников и ядерной энергетики.

«Это может повлиять на области, где нужны очень оптимизированные сплавы, например, в аэрокосмической отрасли», — отмечает Фрейтас. «Понимание того, как на самом деле ведут себя атомы в этих процессах, крайне важно, потому что это ключ к получению прочности при сохранении низкой плотности. Так что наше открытие может стать огромным шагом вперед в этой сфере».

Ранее ученые придумали как выращивать металл вместо того, чтобы печатать его на 3D-принтере.