Исследования в области проектирования и стабилизации наноструктур в металлах

Джейсон Трелевич был заинтересован в области материаловедения, так как он был маленьким ребенком, когда его отец – инженер – привел бы его на работу. В лаборатории материалов на рабочем месте своего отца Трелевич увеличил масштаб поверхности материала с помощью оптических микроскопов, заинтригованный всеми уникальными особенностями, которые он мог видеть, когда свет взаимодействовал с разными образцами.

Материаловед Джейсон Трелевич в лаборатории электронной микроскопии в Брукхейвенском центре функциональных наноматериалов, где он характеризует наноразмерные структуры в металлах смешанный с другими элементами. Авторы: Брукхейвенская национальная лаборатория

Трелевич, в настоящее время доцент кафедры материаловедения и химической инженерии Колледжа инженеров и прикладных наук с совместным назначением в Институте передовой вычислительной науки в Университете Стоуни Брук и главным исследователем лаборатории инженеризованных металлических наноструктур, использует гораздо большие увеличения электронных микроскопов, чтобы наблюдать мелкие наноструктуры очень подробно, а затем узнавать, что происходит, когда они подвергаются воздействию радиации, тепла и механических сил. Чтобы быть более конкретным, Trelewicz интересуется наноструктурированными металлическими сплавами (металлы, которые смешиваются с другими элементами), которые включают нанометровые характеристики в классические материалы для повышения их производительности. Информация, полученная в результате исследований электронной микроскопии, позволяет понять взаимосвязи между химическими и структурными особенностями в наномасштабе. Тогда можно применить это понимание для настройки свойств материалов для использования во всем: от автомобильных и аэрокосмических компонентов до ядерных реакторов и бытовой электроники.

С 2012 года, когда он прибыл в Университет Стоуни Брук, Трелевич использовал электронные микроскопы и высокопроизводительный вычислительный (HPC) кластер в Центре функциональных наноматериалов (CFN) – Управлении Министерства энергетики США (DOE) Science User Facility в Брукхейвенской национальной лаборатории – для проведения своих исследований.

В то время я искал способы применить свою идею о стабилизации наноструктур в металлах к прикладной проблеме, Я давно интересуюсь ядерными энергетическими технологиями, изначально читаю о слиянии в классе. Идея воссоздания процессов, ответственных за энергию, которую мы получаем от солнца здесь, на земле, была увлекательной и подпитывала мой интерес к ядерной энергии на протяжении всей моей академической карьеры. Хотя мы все еще очень далеки от термоядерного реактора, который генерирует энергию, большая международная команда по проекту, который строится во Франции под названием ITER, работает, чтобы продемонстрировать продолжительную реакцию синтеза в больших масштабах.

Джейсон Трелевич, доцент кафедры материаловедения и химической инженерии Колледжа инженеров и прикладных наук

Плазменные материалы для термоядерных реакторов

Ядерный синтез, реакция, с которой сталкиваются атомные ядра, способна обеспечить почти неограниченный запас чистой и безопасной энергии, подобной той, которая естественным образом генерируется Солнцем посредством сплавления ядер водорода в атомы гелия. Использование этой энергии без углеродов в реакторах требует создания, а затем поддержания плазмы, ионизированного газа, при чрезвычайно высоких температурах, слияние которых происходит (примерно в шесть раз более горячее, чем ядро ​​солнца), ограничивая его магнитными полями. Из многих проблем, с которыми в настоящее время сталкиваются демонстрации термоядерного реактора, особый интерес для Trelewicz заключается в разработке жизнеспособных материалов для строительства реактора.

Огромные проблемы материалов для слияния – вот где я увидел возможность для моих исследовательских материалов, которые могут выжить в термоядерном реакторе, где плазма будет генерировать высокие тепловые потоки, высокие тепловые напряжения и высокие частицы и нейтроны потоки, т рабочие условия в этой среде являются одними из самых суровых, в которых можно было ожидать, что материал будет функционировать.

Джейсон Трелевич, доцент кафедры материаловедения и химической инженерии Колледжа инженеров и прикладных наук

Вольфрам является первичным кандидатом для такого «плазменного материала» из-за его высокой температуры плавления – самого высокого среди металлов в чистом виде – и низкого выхода распыления (количество атомов, выбрасываемых энергетическими ионами из плазмы). Однако устойчивость вольфрама к стойкости к окислению, долгосрочная радиационная толерантность, рекристаллизация и механические характеристики являются проблематичными.

Trelewicz предполагает, что проектирование вольфрамовых сплавов с точно настроенными наноструктурами может стать способом преодоления этих проблем. В августе он получил пятилетнюю премию в размере 750 000 долларов США от Программы исследований ранней карьеры Министерства энергетики США, чтобы разработать стабильные нанокристаллические вольфрамовые сплавы, способные выдерживать сложную среду термоядерного реактора. Его исследования включают моделирование, в котором моделируются атомарные взаимодействия и эксперименты, связанные с воздействием ионизирующего излучения в реальном времени и механическими испытаниями, чтобы понять основные механизмы, отвечающие за термическую стабильность, механические характеристики и допустимость излучения. Понятия из этого исследования помогут в разработке более упругих сплавов для приложений слияния.

Помимо вычислительных ресурсов, которые они используют в своем родном учреждении, Trelewicz и его лабораторная группа используют кластер HPC в CFN – и те, что находятся на других объектах DOE, таких как Titan в Oak Ridge Leadership Computing Facility (DOO Office of Science Пользовательский механизм в Национальной лаборатории Ок-Ридж) – для проведения крупномасштабных атомистических симуляций в рамках проекта.

. Шкалы длины структур, которые мы хотим спроектировать в наших материалах, имеют порядок от нескольких нанометров до 100 нанометров, а в одном моделировании может быть до 10 миллионов атомов, u сгруппируйте кластеры HPC, мы можем построить систему атом-атом, представляющую структуру, которую мы хотели бы исследовать экспериментально, и запустить моделирование для изучения реакции этой системы при различных внешних раздражителях. Например, мы можем запускать в систему атом высокой энергии и наблюдать, что происходит с материалом и как оно развивается, сотни или тысячи раз. Как только накопленный ущерб будет накоплен в структуре, мы можем моделировать тепловые и механические силы, чтобы понять, как структура дефектов влияет на другое поведение.

Джейсон Трелевич, доцент кафедры материаловедения и химической инженерии Колледжа инженеров и прикладных наук

Эти симуляции сообщают о химиих и структурах экспериментальных сплавов, которые Трелевич и его ученики производят в Университете Стони Брук через высокоэнергетическое фрезерование. Чтобы охарактеризовать наномасштабную структуру и химическое распределение сконструированных сплавов, они широко используют объекты микроскопии в CFN – в том числе просвечивающие электронные микроскопы, сканирующие электронные микроскопы и сканирующие просвечивающие электронные микроскопы. Изображения выполняются с высоким разрешением и часто сочетаются с нагревом в микроскопе, чтобы в реальном времени исследовать, как структуры развиваются с температурой. Эксперименты также проводятся в других национальных лабораториях DOE, таких как Сандия, сотрудничая с материаловедом Халидом Хаттаром из лаборатории ионного луча. Здесь студенты исследовательской группы Trelewicz облучают спроектированные сплавы ионным лучом одновременно, а также имитируют их электронным микроскопом в течение многих дней.

«Хотя этот ущерб не сравнится с тем, что материал будет испытывать в реакторе, он дает отправную точку для оценки того, действительно ли спроектированный материал действительно может устранить некоторые ограничения вольфрама для приложений слияния», сказал Трелевич.

Электронная микроскопия в CFN сыграла жизненно важную роль в захватывающем открытии, которое недавно сделали ученики Трелевича: неожиданный метастабильный к устойчивому фазовый переход в тонких пленках наноструктурированного вольфрама. Этот фазовый переход мотивирует аномальный «процесс роста зерна», в котором некоторые особенности кристаллической наноструктуры резко возрастают за счет других. Когда ученики добавили титан и хром в вольфрам, эта метастабильная фаза была полностью устранена, что в свою очередь улучшило термическую стабильность материалы.

«Одним из замечательных аспектов использования экспериментальных и вычислительных компонентов для наших исследований является то, что, когда мы изучаем новые вещи из наших экспериментов, мы можем вернуться и адаптировать моделирование, чтобы более точно отражать фактические материалы», сказал Трелевич.

Другие проекты в исследовательской группе Трелевича

Исследования с вольфрамом – это лишь один из многих проектов, проводимых в Лаборатории инженерных металлических наноструктур

«Все наши проекты подпадают под сферу разработки новых металлических сплавов с улучшенными и / или многофункциональными свойствами», – сказал Трелевич. «Мы рассматриваем различные стратегии оптимизации производительности материалов путем коллективного согласования химии и микроструктуры в наших материалах. Большая часть науки заключается в понимании наномасштабных механизмов, которые определяют свойства, которые мы измеряем в макромасштабе ».

Через Национальный научный фонд CAREER (программа раннего развития карьеры факультета) Трелевич и его исследовательская группа изучают еще один класс высокопрочных сплавов, называемых аморфными металлами или «металлическими стеклами», который относится к металлам, которые имеют неупорядоченной атомной структуры, родственной стеклу. По сравнению с обычными металлами металлические стекла часто по своей природе имеют более высокую прочность, но обычно чрезвычайно хрупкие, и их трудно изготовить в огромных частях, таких как объемные листы. Команда Trelewicz разрабатывает интерфейсы, а также разрабатывает их в металлических стеклах – первоначально на основе железа и позднее на основе циркония – для повышения прочности материалов и выявления процессов производства присадок для обеспечения производства листового металла. Они будут использовать Nanofabrication Facility в CFN, чтобы изготовить тонкие пленки этих металлических металлических стекол с интерфейсом для анализа in situ с использованием методов электронной микроскопии.

В аналогичном проекте они стремятся понять, как введение кристаллической фазы в аморфный сплав на основе циркония для разработки композита из металлического стеклянного матрикса (состоящего как из кристаллической, так и из аморфной фаз) увеличивает процесс деформации по сравнению с обычные металлические очки. Металлические стекла обычно катастрофически падают, так как деформация локализуется в полосы сдвига. Введение кристаллических областей в металлические стекла может затруднить процесс, при котором деформация локализуется в материале. Они уже показали, что существование кристаллической фазы принципиально изменяет механизм, с помощью которого развиваются полосы сдвига.

Трелевич и его группа также изучают поведение деформаций металлических «наноламинатов», которые состоят из чередующихся аморфных и кристаллических слоев, и пытаются приблизиться к теоретическому пределу прочности в легких алюминиевых сплавах с помощью синергетических стратегий химического допинга (включая другие элементы к материалу, чтобы изменить его свойства).

«Мы используем ресурсы CFN для каждого проекта, который продолжается в моей исследовательской группе», – сказал Трелевич. «Мы широко используем средства электронной микроскопии для изучения материальной микро- и наноструктуры, очень часто при взаимодействии интерфейсов с композиционными неоднородностями – информации, которая помогает нам стабилизировать и проектировать межфазные сети в наноструктурированных металлических сплавах. Вычислительное моделирование и моделирование, обеспечиваемые кластерами HPC в CFN, сообщают, что мы делаем в наших экспериментах ».

Помимо своей работы в CFN, Trelewicz сотрудничает со своими коллегами из отдела, чтобы охарактеризовать материалы на Национальном синхротронном источнике света II – еще одном учреждении Министерства образования США в Брукхейвене.

«Существуют различные способы характеристики структурных и химических неоднородностей», сказал Трелевич. «Мы рассматриваем небольшое количество материала через электронные микроскопы при CFN и более объемном уровне в NSLS-II с помощью таких методов, как рентгеновская дифракция и микро / нанозонда. Мы объединим эту локальную и глобальную информацию, чтобы полностью охарактеризовать материал и использовать эту информацию для оптимизации своих свойств ».

Будущее материалов следующего поколения

Трелевич занят студенческой работой, когда он не занимается исследованиями. Он связывается с технологическими отделами в разных школах, предоставляя им проекты по проектированию материалов. Учащиеся участвуют в инженерных аспектах дизайна материалов, а также обучаются тому, как использовать 3D-принтеры и различные другие инструменты, которые жизненно важны в современном обществе, для производства продуктов с лучшей производительностью и более экономичными.

В будущем Trelewicz стремится расширить свое сотрудничество в CFN и установить свои исследования в металлических наноструктурах в качестве ключевой области, поддерживаемой CFN и, в конечном счете, DOE, для достижения беспрецедентных свойств в классических материалах.

«Будучи способным каждый день изучать что-то новое, используя эти знания, чтобы повлиять на общество, и увидев, что мои ученики заполнили пробелы в нашем нынешнем понимании, это то, что делает мою карьеру профессором настолько полезной», [19459022-сказалТрелевич «Благодаря ресурсам Университета Стони Брук, рядом с CFN и другими лабораториями DOE, у меня есть потрясающая платформа для внесения вкладов в области материаловедения и металлургии».

Source link