Магнитная кристаллодинамика

Александр Гурьянов

Металлы, керамику, полупроводники мы воспринимаем однородными. Но под электронным микроскопом они выглядят зернистыми. Их нанометровые кристаллические зерна разделены стенками дефектов. И именно форма зерен, то есть геометрия дефектных стенок, определяет проводимость и механические свойства поликристаллического материала. Если к нему приложить внешнюю механическую нагрузку, то межзеренные границы будут изменять свою геометрию, даже станут формироваться заново или исчезать. Эти процессы во многом еще не поняты и зачастую не формализованы.

Исследователи Университета Райса под руководством профессора химической и биомолекулярной инженерии Сибани Лизы Бисвал (Sibani Lisa Biswal) моделируют атомарные явления с помощью коллоидных парамагнитных частиц во вращающемся магнитном поле. В последних экспериментах частицы полистирола, покрытые оксидом железа, образовывали двумерные поликристаллические структуры. В предыдущей работе группы было показано, что это отличный способ визуализировать фазовые переходы на атомных масштабах, так как взаимодействия между коллоидными частицами описываются уравнениями, подобными уравнениям для поликристаллов, а сами коллоидные частицы собираются в аналогичные поликристаллическим зернам кластеры.

Циркуляция частиц на границах кластеров вызывает сдвиговые напряжения внутри них. Оказалось, что модель поликристаллической структуры может включать и пустые области. Эти пустоты действуют как источники и стоки частиц при движениях границ кластеров, а механические напряжения на границе кластера и пустоты могут заставлять изменяться геометрическую структуру кластерного поликристалла. Таким образом, эксперимент показал, что газовая и твердая фазы в поликристаллах вполне сосуществуют друг с другом.

Ученые выяснили, что их модельная система подчиняется теории конденсированного вещества Шокли-Рида. Эта теория, появившаяся в середине прошлого века, на основе расстояний между дефектами правильно предсказывает углы разориентации зерен в поликристаллах и энергии так называемых малоугловых границ между зернами.

Подход ученых позволит инженерам разрабатывать новейшие материалы и улучшать свойства старых за счет управления границами поликристаллических зерен. Следующим шагом исследователей станет изучение поведения их модельной системы при отжиге, то есть в процессе многократных нагреваний и охлаждений, которые обычно используют для устранения дефектов в кристаллах.


Science Advances, 8, 22, 2022

Разные разности
Бактериофаги против дезодорантов
Метагеномный анализ кожной флоры позволил найти главного злоумышленника, виновного в резком запахе пота — это бактерии Staphylococcus hominis. Но можно ли от них избавиться, не убивая другие кожные бактерии? Исследователи предложили логичное реш...
Липучка против трипсов
Химики ищут замену инсектицидам, подсматривая за тем, как разные растения сами защищаются от вредных насекомых. Некоторые растения выделяют липкие вещества из так называемых железистых волосков. К ним прилипают насекомые-вредители и погибают. Эта стр...
Этанол против гриппа
Во время пандемии ковида в соцсетях распространилось видео, на котором наш соотечественник демонстрировал свой метод лечения ковида — ингаляцию парами этанола. Но тогда над ним посмеялись и отмахнулись. Похоже — зря. Японские исследователи ...
Пишут, что...
…за последнее десятилетие плотность тихоокеанских устриц Magallana gigas в двух заливах Южной Калифорнии увеличилась в 32 раза, что совпадает с летним повышением температуры морской воды на 2–4°C… …пластырь с микроиглами против ...