Stochastyczność - nieodłączne fluktuacje w materiałach zasługują na eksplorację

Anonim

Naukowcy i inżynierowie, którzy pracują z materiałami - metalami, polimerami, ceramiką, kompozytami i szkłami - wiedzą, że w pewnym stopniu zdolność przewidywania rozkłada się pośród fluktuacji znanych jako "stochastyczność". Na przykład w skali atomowej nawet najdoskonalszy kryształ ma fluktuacje termodynamiczne, w postaci "defektów punktowych" - atomów nieobecnych w sieci krystalicznej. W innym przykładzie, atomy w materiale stopowym mogą rozprowadzać się na wiele sposobów: stop wykonany z germanu krzemu może stanowić połowę i połowę każdego elementu łącznie, ale przy fluktuacjach stochastycznych stosunek, w jakim znajdują się te pierwiastki, jest różny w różnych skalach długości w całym materiale.

W artykule opublikowanym w Applied Physics Reviews, grupa naukowców z Rensselaer Polytechnic Institute, wskazując na cztery podstawowe przyczyny takich fluktuacji, które obejmują materiały, twierdzi, że stochastyczność jest nieodłączna dla wszystkich materiałów i zasługuje na większą eksplorację jako dziedziny badań.

"Proponujemy nowe ramy dla zrozumienia stochastyczności jako ważnego zjawiska jednoczącego różne materiały" - powiedział Robert Hull, profesor inżynierii Henry Burlage i dyrektor Centrum Materiałów, Urządzeń i Zintegrowanych Systemów Rensselaer oraz główny autor artykułu. "Istnieje możliwość szerszego spojrzenia na stochastyczność - poszerzenia naszego spojrzenia na indywidualne obserwacje oparte na wyłącznej klasie materiałów na szerszej perspektywie w różnych materiałach - dla większej kontroli nad wyzwaniami i potencjalnymi korzyściami, jakie oferuje w dziedzinie nauki o materiałach i Inżynieria."

Hull został dołączony na papierze przez kolegów Rensselaer Paweł Keliński, profesor i szef materiałów i inżynierii; Dan Lewis, profesor nadzwyczajny w dziedzinie inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej; Antoinette Maniatty, profesor inżynierii mechanicznej, lotniczej i jądrowej; Vincent Meunier, Jeffrey L. Kodosky '70 Katedra Konstelacji Kariery Rozwoju i szef fizyki, fizyki stosowanej i astronomii; Assad A. Oberai, były prokurent z School of Engineering, obecnie na University of Southern California; Catalin Picu, inżynier kojarzony z mechaniką, lotnictwem i inżynierią nuklearną; Johnson Samuel, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej, lotniczej i jądrowej; Mark S. Shephard, Elisabeth C. i Samuel A. Johnson '37 profesor inżynierii; Minoru Tomozawa, profesor nauk materiałowych i inżynierii; Deepak Vashishth, dyrektor Centrum Biotechnologii i Badań Interdyscyplinarnych Rensselaer; oraz Shengbai Zhang, senior Gail i Jeffrey L. Kodosky '70 Katedra Fizyki, Technologii Informacyjnych i Przedsiębiorczości.

Wszystkie materiały wykazują stochastyczność w pewnym czasie lub w skali długości, ale naukowcy zajmujący się materiałami zwykle konfrontują te fluktuacje indywidualnie dla każdego przypadku, podczas gdy szersze implikacje stochastyczności pozostają niedostatecznie zbadane, powiedział Hull.

"Fakt, że wewnętrzna struktura materiałów w pewnym czasie lub skala długości staje się niejednolita i nieprzewidywalna, jest zjawiskiem, które leży u podstaw prawie wszystkiego, co robimy, a jednak mamy tylko fragmentaryczne informacje na temat jego skutków" - powiedział Hull. "Uważamy, że stochastyczność materiałów jako odrębna dziedzina badań może dostarczyć cennych informacji, które zwiększą naszą zdolność rozumienia i manipulowania materiałami."

W artykule dokonano przeglądu czterech "szerokich klas" stochastyczności w materiałach: fluktuacji termodynamicznych, fluktuacji strukturalnych / kompozycyjnych, fluktuacji kinetycznych i frustracji / degeneracji. Uwzględnia także efekty stochastyczne wynikające z niedokładności pomiaru i niepewności w modelowaniu i symulacji.

Wahania kinetyczne, na przykład, są czasowymi fluktuacjami w rozwoju wewnętrznej struktury materiałów ("mikrostruktura materiałów"). Znany przykład można zaobserwować w hutnictwie, gdzie ciepło i naprężenia są wykorzystywane do zmiany wewnętrznej struktury stopów metali, takich jak stal. Na poziomie mikroskopowym stal, wykonana z żelaza i węgla oraz innych pierwiastków, tworzy lokalnie odrębne regiony zwane "ziarnami" i "fazami". Rozkład ziaren i faz oraz ich charakterystyczne rozmiary zależą od wahań kinetycznych podczas obróbki materiału i wpływają na kluczowe właściwości inżynierskie, takie jak wytrzymałość na rozciąganie i ciągliwość. Historia obróbki stali, licząca od tysiącleci, jest zasadniczo próbą wykorzystania ciepła i naprężeń do kontrolowania wielkości ziarna i rozkładu faz, a zatem optymalizacji jego właściwości.

Producenci stali są zdolni do stosowania specyficznych technik w celu uzyskania spójnego produktu, ale dokładniejsze zrozumienie fluktuacji kinetycznych może stworzyć nowe, przewidywalne warianty mikrostruktury materiałów o ulepszonych lub nowych właściwościach. Badania nad trzema innymi klasami materiałów stochastycznych oferują podobną obietnicę.

Jako środek zaradczy naukowcy proponują stochastyczność jako dziedzinę studiów, a także oferują ramy matematyczne do opisywania stochastyczności materiałów. Ramy te, powiedział Hull, umożliwiają rozważenie stochastyczności według jednolitej metodologii.

Wreszcie naukowcy dostrzegają potencjalne korzyści w zakresie wykorzystania stochastyczności. Zazwyczaj fluktuacje stochastyczności są uważane za wyzwanie do kontrolowania i łagodzenia. Ale możliwe jest, jak napisali naukowcy, że lepsze zrozumienie stochastyczności ujawni sytuacje, w których nieodłączne fluktuacje materiałów dają nowe właściwości materiałów.

"Natura dała nam skończoną liczbę elementów i sposobów ich łączenia" - powiedział Hull. "Być może w ramach stochastyczności możemy znaleźć nowe stopnie swobody w obrębie zbioru materiałów, które wcześniej nie były rozpoznawane."

"Stochastyczność w strukturze materiałów, właściwościach i przetwarzaniu - recenzja" pojawiła się w wydaniu Applied Physics Reviews w marcu 2018 roku.

menu
menu