В эти дни металлические очки – сделанный полностью из металлических атомов – развиваются для биомедицинского применения, такого как дополнительно-острые хирургические иглы, стенты, и искусственные суставы или внедрения, потому что сплавы могут быть ультратвердыми, дополнительные сильный, очень гладкий и стойкий к коррозии.В то время как комбинация метода проб и ошибок и научного исследования помогла усовершенствовать процессы производства стекла со временем, управление созданием металлических очков на атомном уровне остается неточным усилием, которому сообщает в основном большой опыт и интуиция.«Наша работа», говорит, что Пол Войлес, «должен построить фундаментальное понимание, добавив больше данных».Профессор Бэкуиза-Бэскома в материаловедении и разработке в Висконсинском университете в Мадисоне, Voyles и сотрудниках в Мадисоне и в Йельском университете добился значительных экспериментальных успехов в понимании как, когда и где постоянно движущиеся атомы в литом металлическом «замке» в место как существенные переходы от жидкости до твердого стекла.
Они описали то, что они наблюдали о том, как те атомы перестраивают при различных температурах со временем сегодня (19 марта 2018) в журнале Nature Communications. Это – знание, которое может добавить весьма необходимую экспериментальную ясность к нескольким конкурирующим теориям о том, как тот процесс, названный стеклованием, происходит. Это также могло помочь уменьшить время и затраты, связанные с развитием новых металлических стеклянных материалов, и предоставить производителям большее понимание дизайна процесса.Одна проблема обработки состоит в том, что как переходы металлов от литой жидкости до тела, они имеют тенденцию формироваться в надлежащем порядке, регулярно повторяя строения атома, названные кристаллами.
Напротив, у стеклянных материалов есть очень беспорядочное строение атома. И в то время как создание высокоэффективного металлического стакана кажется столь же простым как препятствование тому, чтобы металлические атомы формировали кристаллы, поскольку материал охлаждается, в действительности, это полагается несколько на чистую случайность.«Процесс, который делает стакан и процесс, который заставляет кристалл конкурировать друг с другом, и тот, который побеждает – тот, который происходит по более быстрому уровню – определяет конечный продукт», говорит Войлес, работа которого поддержана Национальным научным фондом и американским Министерством энергетики.
В жидкости все атомы перемещаются друг мимо друга в любом случае. Поскольку литой металл охлаждается и начинает свой переход к телу, его атомы замедляются и в конечном счете прекращают перемещаться.Это – сложный танец атомного уровня, который все еще распутывают ученые. Привлекая их экспертные знания в электронной микроскопии и анализе данных, Voyles и его сотрудники имели размеры, сколько времени это берет, в среднем, для атома, чтобы получить или потерять смежные атомы, поскольку его среда колеблется в литой жидкости.
«Атом окружен связкой других атомов», говорит Войлес. «При действительно высоких температурах они подпрыгивают вокруг и каждая пикосекунда (миллионный из секунды), у них есть новая компания соседей. Когда температура уменьшается, они придерживаются их соседей дольше и дольше пока они постоянно не придерживаются».
При высоких температурах, атомы все движение быстро. Затем поскольку жидкость охлаждается, они двигаются более медленно; простое описание могло бы быть то, что все атомы замедляются вместе по тому же самому уровню, пока они не прекращают двигаться, и материал становится твердым стаканом.«Мы теперь продемонстрировали экспериментально, что это не то, что происходит», говорит Войлес.Скорее он говорит, эксперименты его команды подтвердили, что время, которое требуется для атомов, чтобы захватить в место, значительно различается – в зависимости от, по крайней мере, порядка величины – с места на место в той же самой жидкости.
«Некоторые регионы размера миллимикрона становятся ‘липкими’ первый и держатся за их соседей в течение очень долгого времени, тогда как между липкими битами биты, которые перемещаются намного более быстро», говорит он. «Они продолжают колебаться в 10 раз быстрее, чем в медленных частях, и затем все становится медленнее, но липкие части также становятся больше до липких частей ‘победа’, и материал становится телом».Теперь, он и его сотрудники работают, чтобы понять, как атомные меры отличаются между медленными и быстрыми частями.
«Это – следующая большая недостающая часть загадки», говорит он.Прогресс предоставляет ценную информацию о фундаментальном процессе, посредством которого каждый стеклянный материал – от оконного стекла до пластмассовых бутылок к фармацевтическим приготовлениям и многим другим – переходы от жидкости до тела, говорит Войлес.
«Это – действительно фундаментальная наука», говорит он. «Но окончательное потенциальное воздействие для заявлений – то, если мы действительно понимаем, как это работает на атомном уровне, который дает нам возможность построить в контроле, который позволяет нам сделать очки из того, что мы хотим вместо того, чтобы только получить очки, когда мы становимся удачливыми».