หากนักโลหะวิทยาค้นพบโลหะผสมที่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องบินได้อย่างมาก อาจใช้เวลานานถึงยี่สิบปีก่อนที่ผู้โดยสารจะสามารถขึ้นเครื่องบินที่ทำจากโลหะผสมนั้นได้ นักวิจัยใช้การทดลองและข้อผิดพลาดเพื่อสร้างความปลอดภัยและความทนทานของวัสดุโดยที่ไม่มีทางคาดเดาได้ว่าวัสดุจะเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อต้องเผชิญกับแรงกดดันจากการประมวลผลหรือการใช้ชีวิตประจำวัน กระบวนการที่ยาวนานนี้เป็นคอขวดที่สำคัญต่อนวัตกรรมวัสดุ

ศาสตราจารย์ Gregory Rohrer และ Robert Suter จาก Department of Materials Science and Engineering และ Department of Physics ของ Carnegie Mellon University ได้เปิดเผยข้อมูลใหม่ที่จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุคาดการณ์ว่าคุณสมบัติของวัสดุจะเปลี่ยนไปอย่างไรในการตอบสนองต่อความเครียดเช่นอุณหภูมิที่สูงขึ้น การใช้กล้องจุลทรรศน์กระจายแสงพลังงานสูงระยะใกล้ (HEDM) พวกเขาพบว่าแบบจำลองที่กำหนดไว้สำหรับการทำนายโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของวัสดุใช้ไม่ได้กับวัสดุโพลีคริสตัลไลน์และจำเป็นต้องมีแบบจำลองใหม่

สำหรับสายตาแล้ว โลหะ โลหะผสม และเซรามิกที่ใช้กันมากที่สุดที่ใช้ในอุปกรณ์อุตสาหกรรมและสินค้าอุปโภคบริโภค ดูเหมือนจะมีความแข็งสม่ำเสมอ แต่ในระดับจุลทรรศน์ พวกมันเป็นผลึกโพลีคริสตัลไลน์ ซึ่งประกอบด้วยเม็ดเกรนที่มีขนาด รูปร่าง และทิศทางของผลึกต่างกัน ธัญพืชถูกผูกเข้าด้วยกันโดยโครงข่ายของขอบเกรนที่เปลี่ยนไปเมื่อเผชิญกับความเครียด ทำให้คุณสมบัติของวัสดุเปลี่ยนไป

เมื่อพวกเขาสร้างวัสดุใหม่ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องควบคุมโครงสร้างจุลภาค ซึ่งรวมถึงขอบเขตของเมล็ดพืชด้วย นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจัดการความหนาแน่นของขอบเขตของเมล็ดพืชเพื่อตอบสนองความต้องการที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น โครงสร้างรอบๆ ห้องโดยสารในรถยนต์ทำจากเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงพิเศษซึ่งมีขอบลายเกรนมากกว่าแผงตัวรถที่สวยงามในโซนยู่ยี่ส่วนหน้าของรถ

ในช่วง 70 ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ทำนายพฤติกรรมของวัสดุโดยใช้ทฤษฎีที่กล่าวว่าความเร็วที่ขอบเกรนเคลื่อนผ่านวัสดุที่ร้อนนั้นสัมพันธ์กับรูปร่างของขอบ Rohrer และ Suter ได้แสดงให้เห็นว่าทฤษฎีนี้ ซึ่งจัดทำขึ้นเพื่ออธิบายกรณีในอุดมคติที่สุด ไม่สามารถใช้กับคริสตัลโพลีคริสตัลได้

คริสตัลโพลีคริสตัลมีความซับซ้อนมากกว่ากรณีศึกษาในอุดมคติในอดีต Rohrer อธิบายว่า “ถ้าใครพิจารณาขอบเขตเกรนเดียวในคริสตัล มันสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่หยุดชะงัก เหมือนรถที่ขับไปตามถนนที่ว่างเปล่า ในคริสตัลโพลีคริสตัลแต่ละขอบของเกรนนั้นเชื่อมต่อโดยเฉลี่ย 10 แห่ง ดังนั้นมันจึงเหมือนกับรถคันนั้น ตีการจราจร -- มันไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระอีกต่อไป ดังนั้น โมเดลนี้จึงไม่ถืออีกต่อไป" ยิ่งไปกว่านั้น Rohrer และ Suter พบว่าขอบเขตเกรนโพลีคริสตัลมักไม่เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่แบบจำลองคาดการณ์ไว้

HEDM ซึ่งเป็นเทคนิคที่ Suter และเพื่อนร่วมงานเป็นผู้บุกเบิกโดยใช้ Advanced Photon Source (APS) ของ Argonne National Laboratory เป็นกุญแจสำคัญในการค้นพบเหล่านี้ HEDM และเทคนิคที่เกี่ยวข้องช่วยให้นักวิจัยสร้างภาพคริสตัลนับพันโดยไม่ทำลายและวัดทิศทางภายในโลหะทึบแสงและเซรามิก เทคนิคนี้ต้องใช้รังสีเอกซ์พลังงานสูงซึ่งมีอยู่ในแหล่งซินโครตรอนเพียงไม่กี่แห่งทั่วโลกเท่านั้น

"มันเหมือนกับมีภาพเอ็กซ์เรย์ 3 มิติ" ซูเตอร์กล่าว "ก่อนหน้านี้ คุณไม่สามารถดูเมล็ดพืชของวัสดุได้โดยไม่ตัดมันออกจากกัน HEDM ช่วยให้เราสามารถดูทิศทางและขอบเขตของเมล็ดพืชได้โดยไม่รุกรานขณะที่พวกมันวิวัฒนาการไปตามกาลเวลา"

การพัฒนา HEDM เริ่มขึ้นเมื่อประมาณ 20 ปีที่แล้วและดำเนินต่อไปจนถึงทุกวันนี้ กลุ่มของ Suter ทำงานร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ที่ APS เพื่อพัฒนาขั้นตอนสำหรับการรวบรวมภาพรูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จากตัวอย่างวัสดุนับพันภาพที่ซิงโครไนซ์ขณะที่มันผ่านการหมุนที่แม่นยำในลำแสงตกกระทบที่รุนแรง รหัสคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่พัฒนาโดยกลุ่มวิจัยของ Suter แปลงชุดของภาพเป็นแผนที่สามมิติของเม็ดผลึกที่ประกอบขึ้นเป็นโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ

10 ปีที่แล้ว กลุ่มของ Suter (รวมถึงนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาฟิสิกส์ Chris Hefferan, Shiu-Fai Li และ Jon Lind) ได้ทำการตรวจวัดตัวอย่างนิกเกิลซ้ำแล้วซ้ำอีกหลังจากผ่านการบำบัดด้วยอุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้เกิดการสังเกตการเคลื่อนไหวขอบเขตเกรนแต่ละเมล็ดในครั้งแรก การเคลื่อนไหวเหล่านี้ล้มเหลวในการแสดงพฤติกรรมที่เป็นระบบซึ่งทำนายโดยทฤษฎีอายุ 70 ​​​​ปี มุมมองที่พัฒนาขึ้นโดยนักวิจัยของ Carnegie Mellon ในเอกสาร Science มีความสัมพันธ์กับโครงสร้างขอบเขตของเกรนกับพฤติกรรมที่เป็นระบบที่สังเกตได้จากข้อมูลการทดลอง HEDM

แม้ว่าการวิเคราะห์ในปัจจุบันจะอิงจากวัสดุชนิดเดียว แต่ด้วยกล้องจุลทรรศน์นิกเกิลและการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ก็ถูกใช้กับวัสดุหลายชนิด และ Rohrer และ Suter เชื่อว่าวัสดุจำนวนมากจะแสดงให้เห็นพฤติกรรมที่คล้ายคลึงกับที่พบในนิกเกิล กำลังศึกษาการใช้งานที่คล้ายคลึงกันกับสภาวะการแปรรูปวัสดุอื่นๆ

งานวิจัยนี้ได้รับทุนจาก Designing Materials to Revolutionize and Engineer the Future program (DRMEF) ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ เงินช่วยเหลือสี่ปีของทีมได้รับการต่ออายุเป็นเงิน 1.8 ล้านดอลลาร์ โดยมีผลตั้งแต่วันที่ 1 ตุลาคม 2564 Kaushik Dayal ของ Carnegie Mellon ภาควิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อม, Elizabeth Holm, ภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม และ David Kinderlehrer ภาควิชาคณิตศาสตร์ มีส่วนร่วมในขั้นตอนต่อไปของการวิจัยเพื่อศึกษาว่าคริสตัลมีลักษณะเช่นนี้อย่างไรและทำไมในวัสดุที่แตกต่างกัน ศาสตราจารย์ Carl Krill (University of Ulm, Germany) และ Amanda Krause (University of Florida) ก็เป็นส่วนหนึ่งของความร่วมมือเช่นกันjokergame สล็อตออนไลน์