麻省理工发现金属内部藏着神秘原子排列

麻省理工学院（MIT）的研究人员发现，即使是通过标准工业流程制造的金属，其内部微妙的化学结构也会持续存在。这一意外发现揭示了一种新的物理原理，解释了这些结构得以保留的原因。在发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的一项研究中，MIT团队详细阐述了他们如何识别和分析这些结构，并揭示了驱动它们形成的物理机制。他们还开发了一个模型来预测这些结构的形成方式，这使工程师有望通过调整这些结构来优化金属性能，以应用于航空航天、半导体或核能领域。

MIT材料科学与工程系的TDK助理教授罗德里戈·弗雷塔斯（Rodrigo Freitas）解释道：“结论是：无论采用何种加工方式，你都无法使金属中的原子完全随机排列。这是首篇揭示金属中保留这种非平衡态的论文。目前，在金属制造过程中，我们尚未对这种化学有序性进行控制或关注。”

对于处于职业生涯早期的弗雷塔斯来说，这一发现证实了他选择研究这个许多人认为早已解决的问题的决定是正确的。他感谢美国空军科学研究办公室青年研究员计划的支持，以及团队的协作努力，团队成员包括三名MIT博士生——马哈茂杜尔·伊斯兰（Mahmudul Islam）、曹一凡（Yifan Cao）和基利安·谢里夫（Killian Sheriff），他们是共同第一作者。弗雷塔斯说：“曾有人质疑我是否应该着手研究这个特定问题，因为人们已经研究它很长时间了。但我对这个问题了解得越多，就越发现研究人员是在理想化的实验室场景中思考它。我们希望进行尽可能接近现实的模拟，以高保真度重现这些制造过程。这个项目我最喜欢的部分是研究结果的反直觉性。你无法将某些物质完全混合在一起，这一点是人们始料未及的。”

从意外发现到理论构建，弗雷塔斯和他的团队从一个简单的问题开始：在金属加工过程中，元素混合的速度有多快？传统观点认为，在制造过程中，金属在原子层面会达到完全均匀的状态。他们认为，找到这个临界点有助于设计具有不同程度短程原子有序性的合金。研究人员使用先进的机器学习工具，模拟了金属加工过程中数百万个原子的移动和重排。

弗雷塔斯解释道：“我们做的第一件事是对一块金属进行变形处理。这是制造过程中的常见步骤：你轧制金属使其变形，然后再次加热并进一步变形，以形成所需的结构。我们这样做并追踪化学有序性。原以为当你使材料变形时，其化学键会断裂，从而使系统随机化。这些剧烈的制造过程本质上是在打乱原子。”然而，金属的表现出乎意料。尽管经过极端加工，合金从未达到完全随机的状态。这一结果让团队感到困惑，因为现有理论无法解释这一现象。研究人员在论文中写道：“这揭示了金属中一种新的物理现象。这是应用研究带来基础发现的案例之一。”

为了进一步探索，他们构建了高精度的计算模型来捕捉原子间的相互作用，并使用统计方法来测量有序性随时间的演变。通过大规模分子动力学模拟，他们观察了原子在变形和加热过程中的重组方式。团队观察到，某些原子排列在出乎意料的高温下出现，更值得注意的是，出现了在现实制造环境之外从未见过的全新结构模式。他们将这些模式描述为“远离平衡态”。

然后，他们开发了一个简化模型来重现模拟的主要特征。该模型揭示，这些结构源于金属中的位错缺陷——原子晶格中的不规则三维扭曲。当金属变形时，位错会扭曲和移动，将附近的原子推向偏好的位置。此前，研究人员认为这一过程会破坏所有原子有序性，但MIT团队发现事实恰恰相反：位错实际上倾向于某些原子交换，从而形成微妙但稳定的结构。弗雷塔斯说：“这些缺陷具有引导其移动的化学偏好。它们会寻找低能量路径，因此在需要打破化学键时，它们倾向于打破最弱的键，这并非完全随机。这非常令人兴奋，因为它是一种非平衡态：这不是材料中自然存在的状态。就像我们的身体处于非平衡状态一样——外界温度总是高于或低于体温，我们通过维持这种稳态平衡来生存。这就是金属中存在这些状态的原因：内部趋向无序的推动力与打破某些总是较弱的键的有序化倾向之间的平衡。”

新理论的应用方面，研究人员目前正在探索这些化学结构如何在各种制造条件下形成。研究结果形成了一张将各种金属加工步骤与金属中不同化学结构联系起来的图谱。迄今为止，这种化学有序性及其所调节的性能在很大程度上被视为学术课题。研究人员希望，借助这张图谱，工程师们能开始将这些结构视为设计中的杠杆，在生产过程中加以利用以获得新性能。

弗雷塔斯谈到驱动化学反应的催化过程时说：“研究人员一直在研究这些原子排列如何改变金属性能——催化作用就是一个重要方面。电化学反应发生在金属表面，并且对局部原子排列非常敏感。还有一些你可能想不到会受这些因素影响的性能。辐射损伤是另一个重要方面，它会影响这些材料在核反应堆中的性能。”已有研究人员告诉弗雷塔斯，这篇论文可能有助于解释其他关于金属性能的意外发现，他对该领域从化学有序性的基础研究转向更多应用研究感到兴奋。

弗雷塔斯说：“你可以想想那些需要高度优化合金的领域，比如航空航天。他们关注非常特定的成分。先进制造技术现在能够通过变形将通常无法混合的金属结合在一起。了解原子在这些过程中实际如何移动和混合至关重要，因为这是在保持低密度的同时获得强度的关键。因此，这对他们来说可能是一件大事。”这项工作部分得到了美国空军科学研究办公室、MathWorks公司和麻省理工学院-葡萄牙项目的支持。