В стеклянных материалах обнаружены упорядоченные атомы

Исследователи из лаборатории Эймса Министерства энергетики США обнаружили базовый порядок в металлических стеклах.

Это свойство может оказаться ключевым для способности создавать новые высокотехнологичные сплавы с определенными свойствами.

У стеклянных материалов структура может быть намного более упорядоченной, чем считалось ранее.

С годами идеи того, как формируются металлические стекла, развились от случайной упаковки до очень маленьких упорядоченных кластеров, к пониманию существования химического и топологического порядка в более широком диапазоне.

Однако, изучив структуру металлического стеклянного сплава, сформированного при различных уровнях охлаждения, Мэтью Кремер с коллегами сумели установить некоторую упорядоченность в этих структурах. Результаты исследования опубликованы в издании Physical Review Letters.

«Некоторое время это был один из горящих вопросов в материаловедении — как описать эти беспорядочные системы. Наши исследования показали эту базовую структуру. Она рассеяна, но существует», сказал Кремер.

Группа ученых использовала вращательное плавление для формирования образцов сплавов — технологию, которая сверхохлаждает жидкости, выплескивая их потоком на быстро вращающееся медное колесо. Высокие уровни охлаждения позволяют жидкости формировать непрозрачный сплав или металлическое стекло.

„Здесь важна не только химия металла. Во многих случаях критическим фактором является то, как вы получаете твердую форму, как образец затвердевает“, сказал Кремер.

Данные были собраны с использованием высокоэнергетического рентген-луча Усовершенствованного Источника Фотонов (Advanced Photon Source) в Аргоннской национальной лаборатории, химического анализа атомного зонда и компьютерного моделирования.

Ученые обнаружили локальные конфигурации атомов, которые предрасположены к более упорядоченной структуре по сравнению с анализом всей структуры в целом. Кремер сравнил это с элементами дизайна в комплексном обойном стиле.

„В таких обоях видна индивидуальность и запутанность. Если рассматривать какой-то отдельный участок, то можно заметить его повторение. В кристаллографии это называется лейтмотивом. У кристаллического тела такие мотивы встречаются в упорядоченном множестве. В жидкой структуре они тоже есть, но уже немного перетасованы и не расположены рядами“.

По словам Кремера, несмотря на то, что эти мотивы не упорядочены в жидкостях так же хорошо, как в кристаллических структурах, они все же располагаются на дискретных расстояниях друг от друга в пределах определенного диапазона.

Кроме того, они организуются в сети, подобно полимерным цепочкам, которые можно увидеть в силикатном стекле и полимерах.

„Именно эти связанные сети и степень, с которой они развились, возможно, управляют способностью перехода из жидкого состояния в состояние металлического стекла“, сказал ученый.

Точное понимание того, как формируются металлические стекла, является ключевым для способности манипулировать их структурой для развития новых сплавов.

„Развитие новых материалов в значительной степени является Эдисоновским процессом. Люди предполагают некоторые интересные композиции сплавов, отливают их и смотрят, что получилось. Мы пытаемся преуспеть в поиске новых материалов различными путями“, пояснил Кремер. „Какой должна быть упорядоченность атомов, чтобы обеспечить необходимые свойства? Можем ли мы создать эти инновационные структуры? Поняв эти фундаментальные строительные блоки и упорядочив их новым способом, способны ли мы создать материалы с новыми или отличными свойствами? Вот вопросы, на которые мы хотели бы найти ответы“.

03.10.2012