پکیج های آموزشیبهترین ها برای شما

روشی جدید جهت مشاهده جزئیات ساختار بلوری فلز – New technique provides detailed views of metals’ crystal structure

روشی جدید جهت مشاهده جزئیات ساختار بلوری فلز

views-of-metals-crystal-structure

روش جدیدی که مشاهده جزئیات ساختار بلوری فلز را فراهم و از ابزارهای موجود برای تعیین سریع خواص مواد بسهولت استفاده می کند.

———————————————————

 ترجمه از گروه ترجمه ایران مواد

حرفه ای ترین تیم ترجمه مهندسی مواد کشور

www.iran-mavad.com/trans

———————————————————

پژوهشگران در MIT ونیز در مرکزی دیگر، یک روش ترکیبی جدید ایجاد کرده اند که می تواند اطلاعات مفصلی را درباره ریزساختار فلزات چندبلوری فراهم کند.
چنین موادی که از یک زمینه تصادفی دارای از چند بلور کوچک بجای یک تک بلور درشت تشکیل شده بطور گسترده ای برای کاربردهایی نظیر رآکتورهای هسته ای، زیرساخت های شهری و هواپیما استفاده می شوند. اما درک جزئیات ساختار بلوری و مرزهی آنها بین نواحی بلوری دشوار بوده است.
یافته های تازه در مجله Nature Computational Materials در مقاله ای توسط Matteo Seita(دانشجوی پسادکتری در MIT)، Micahel Demkowicz (دکترای علم و مهندسی مواد)، Christopher Schuh و Vasilis Salapatas (دکترای متالورژی) و پنج نفر دیگر بچاپ رسیده است.
Seita توضیح می دهد:” این یک ترکیب منحصربفرد از فناوری های مختلف است.” روش جدیدی که وی و گروه مربوطه ایجاد کردند، یکی از مرسوم ترین مشکلات موجود در علم مواد را مورد توجه قرار می دهد که آن مشکل این است: “چگونه مشخصات مواد را به روشی با توان و بازدهی بالا کمیت یابی کنیم؟”
برخی روش ها جزئیات زیادی درباره ساختارها ارائه می دهند اما اجرای این روش ها زمان بر بوده و نمی تواند تغییرات سریع درون ماده را نشان دهد. برخی روش های دیگر، سریعتر کار می کنند اما جزئیات ساختاری کمتری فراهم می کنند و سایر روش ها جزئیات فضائی و زمانی را ارائه می دهند اما گران هستند یا فقط در مکان های محدود موجود هستند. Seita می گوید که ترکیب جدید از این روش ها می تواند به غلبه بر این محدودیت ها و ایجاد تصاویر با سرعت زیاد، قدرت تفکیک بالا و هزینه کم کمک کند.
در فلزات چندبلوری، که از دانه های باوری کوچک بسیاری تشکیل شده اند، دانستن موقعیت، ابعاد، زوایای تماس و سایر مشخصات دانه های مختلف سازنده ماده مهم است. Seita می گوید:” بویژه، فصل مشترک های بین دانه های بلوری که مرزدانه نامیده می شوند برای بسیاری از خواص ماده مانند استحکام، تلرانس تشعشعی، سختی، مقاومت الکتریکی و غیره مهم هستند اما مشخصه یابی آنها بطور آزمایشگاهی بسیار دشوار است زیرا مرزدانه ها بسیار پیچیده هستند.”
پنج مشخصه درباره این مرزدانه ها وجود دارد که محققان خواهان کمیت یابی آنها هستند اما بیشتر ابزارهای مربوط به مطالعه این مواد می تواند منجر به کمیت یابی دو یا سه زیر مجموعه از این مشخصات شود. یک روش برای بدست آوردن همه پنج مشخصه در آن واحد، تشعشع سینکروترونی پرانرژی است که فقط در چند وسیله که گران بوده و معمولا تقاضای استفاده از آنها بیش از اندازه است موجد هستند.
Seita می گوید: ” راه حل ما تلاش برای ایجاد یک فناوری بسیار ساده است که هرکس در آزمایشگاه خود با استفاده از نرم افزار و سخت افزاری که براحتی در دسترس باشد بتواند از آن استفاده کند.” و آنچه که بدست آورده اند با استفاده از دو روش موجود یعنی میکروسکوپ نوری میکروسکوپ الکترونی بوده است.
وی توضیح می دهد:” ما از دو مجموعه داده مختلف استفاده کرده و آنها را با استفاده از تحلیل تصویری عددی ترکیب می کنیم.” برای انجام چنین کاری، آنها از ورق های فویل فلزی چندبلوری استفاده کردند که به حد کافی نازک بودند تا بتوان تک دانه ها را از هردو طرف مشاهده کرد. سپس آنها تصاویر میکروسکوپی از یک سمت فویل گرفتند، ورق را چرخاندند و از جانب دیگر نیز تصویر گرفتند و ار نرم افزار برای اتصال مرزدانه ها از یک سمت به سمت دیگر استفاده کردند. وی می گوید:” به این طریق می-توانیم جهت گیری سه بعدی این مرزدانه ها را بازسازی کنیم.”
آنگاه، آن اطلاعات با تصاویر میکروسکوپ الکترونی ترکیب می شود تا الگوی واقعی اتم های درون دانه را که نشان دهنده جهتگیری شبکه های بلوری مجزا درون هر دانه است و نیز چگونگی ارتباط دانه ها با دانه ای مجاور را توصیف کند. اطلاعات ترکیبی، همه پنج مشخصه مرزدانه ها را در فویل های فلزی فراهم می کند.
Seita می گوید” خوبی این روش در توان و بازدهی بالای این فناوری است. روی یک نمونه می توانیم تا ۵۰۰ مرزدانه یا بیشتر را بشماریم و می توانیم به سرعت مجموعه داده را بسازیم و البته این روش غیرمخرب است”، برخلاف روش های موجود که نمونه را در فرآیند مصرف می کنند. این بدان معناست که می توان سپس نمونه را در معرض سایر تست ها مانند مکانیکی و الکتریکی قرار داد که نتایج آنها را می توان با داده های مربوط به مرزدانه ها مقایسه کرد.
Seita می گوید: ” این روش جدید بسیار تطبیق پذیر است بطوری که گروه های بسیاری می توانند از آن استفاده کنند.” بعلاوه، اگرچه آزمایش های اولیه با فلزات چندبلوری انجام گرفت اما این روش مستقل از نوع ماده است و می توان آن را برای عایق ها، نیمه رساناها نیز علاوه بر فلزات بکار برد. Seita ادامه می دهد:” ما می توانیم این روش را برای انواع مختلف خواص آزمایش کرده و مجموعه های داده بزرگی ایجاد کنیم و در نهایت از داده ها برای پیش بینی مشخصات مواد چندبلوری جدید استفاده کنیم.”
وی می گوید:” ما می توانیم بفهمیم چه نوع مرزدانه ای برای یک ماده طراحی شده برای یک کاربرد خواص می خواهیم و بفهمیم چگونه ماده ای با آن مرزدانه ها بسازیم. دستکاری مشخصات این مرزدانه ها با اصلاح کردن ماده برای افزایش فراوانی این مرزدانه ها یا جهت گیری نسبی آنها می تواند تغییرات اساسی ای در خاصیت ماده ایجاد کند. در نتیجه، برای نمونه، این روش ممکن است برای دانستن اینکه چگونه نرخ خوردگی فلزات قرارگرفته در معرض محیط های ناملایم نظیر تجهیزات حفاری نفت را می توان کاهش داد بکار برد.”
Brad Boyce، عضو برجسته گروه فنی آزمایشگاه های ملی Sandia در نیومکزیکو که در این پژوهش درگیر نبوده است می گوید:” این کار یک گام الهام بخش روبه جلو در مشخصه یابی سریع و پرداده ساختار مواد بلوری است. مرزدانه ها که فصل مشترک های قطع کننده در شبکه بلوری چندبلوری ها هستند بر محدوده وسیعی از پدیده های مواد، از اینکه چگونه موا تغییرشکل می دهند تا مقاومت الکتریکی اثر می گذارند. با این حال، دانشمندان مواد، روش های کمی برای شناسایی مشخصات مرزدانه در اختیار دارند.”
وی ادامه می دهد:” اکنون با این روش جدبد، من برای مشاهده اینکه چگونه این کار باعث پیشرفت های بیشتری که باعث مشخصه یابی سریع و با بازدهی بالا می شود هیجان زده هستم بویژه برای دیدن روش هایی که می توان برای کشف مشخصات موضعی مرزدانه در پایین تر از محدوده قدرت تفکیک فضایی میکروسکوپ نوری استفاده نمود.

منبع : http://news.mit.edu

ترجمه : محسن حاجی زمانی

—————————————————————————————————————————————————

New technique provides detailed views of metals crystal structure

Researchers at MIT and elsewhere have developed a new combination of methods that can provide detailed information about the microstructure of polycrystalline metals.
Such materials — composed of a random matrix of multiple small crystals rather than one single large crystal — are widely used for such applications as nuclear reactors, civil infrastructure, and aircraft. However understanding the details of their crystal structure and the boundaries between the crystal areas has been difficult.
The new findings are published in the journal Nature Computational Materials, in a paper by Matteo Seita, an MIT postdoc; Michael Demkowicz, a professor of materials science and engineering; Christopher Schuh, the Danae and Vasilis Salapatas Professor of Metallurgy, and five others.
“This is a unique combination of different technologies,” Seita explains. The new approach he and the team developed addresses “one of the most common problems in materials science: How do we quantify the characteristics of materials in a high-throughput fashion?”
Some techniques offer a great deal of detail about structures, but they take time to carry out and can’t reveal rapid changes within the material. Others work rapidly but provide much less structural detail, and still other methods provide both spatial and temporal detail but are prohibitively expensive or only available in limited places. The new combination of techniques, Seita says, can help resolve these limitations by providing fast, high-resolution, and low-cost imaging of the materials.
In polycrystalline metals, which are composed of many small crystal grains, it is important to know the location, dimensions, angles of contact, and other characteristics of the different grains making up the material. In particular, the interfaces between the crystal grains, called grain boundaries, “happen to be critical,” Seita says, “to many individual properties of the material — its strength, radiation tolerance, hardness, electrical resistance, and so on — but they are very difficult to characterize experimentally, because they are very complex.”
There are five basic characteristics about these grain boundaries that researchers would like to be able to quantify, but most tools for studying the materials can only yield some subset of two or three of those. One method for getting all five characteristics at once is high-energy synchrotron radiation, which is only available in a few facilities that are expensive and tend to be oversubscribed.
“Our solution was to try to create a very simple technology that can be used by anyone, in their own lab, using software and hardware that are easily available,” Seita says. And that’s what they achieved, using a combination of two existing methods — optical microscopy and electron microscopy.
“We take two different datasets and combine them using our numerical image analysis,” he explains. To do so, they used sheets of polycrystalline metal foil, which were thin enough that single grains could be seen from both sides. They then took optical microscope images of the foil from one side, flipped the sheet over, and imaged the other side, and used software to connect the grain boundaries from one side to the other. From that, he says, “We can reconstruct the 3-D orientation of these grain boundaries.”
Then, that information is combined with electron microscope images that describe the actual pattern of atoms within the grains, showing the orientation of the individual crystal lattices within each grain — and how they relate to those of adjacent grains. The combined information provides all five characteristics of the grain boundaries in the metal foils.
“The beauty of this is that it’s high-throughput technology,” Seita says. “On one sample, we can measure up to 500 grain boundaries or so, and can build up datasets rapidly. And it’s nondestructive,” unlike existing methods that consume the sample in the process. That means the sample can then be subjected to other tests, for example tests of mechanical or electrical properties, whose results can be compared with the data about the grain boundaries.
The new methodology, Seita says, “is very versatile, so many groups out there can use it.” What’s more, though the initial tests were done with polycrystalline metals, the technique “is materials agnostic,” and could be applied to insulators or semiconductors as well as metals. “We can test for different kinds of properties and build up large datasets,” he says, and ultimately use that data to predict the characteristics of new polycrystalline materials.
“We can figure out what kind of grain boundaries we want to have” for a material being designed for a particular application, “and figure out how to make a material with those grain boundaries.” Manipulating the characteristics of these grain boundaries, by modifying the material to increase their abundance or relative orientations, can produce significant changes in the material’s property. So, for example, the technique might be used to figure out how to reduce the rate of corrosion of metals exposed to harsh environments, such as oil or gas drilling equipment, he says.
This work is “an inspiring step forward in rapid, data-rich characterization of the structure of crystalline materials,” says Brad Boyce, a distinguished member of the technical staff at Sandia National Laboratories in New Mexico, who was not involved in this research. “Grain boundaries, which are interfacial disruptions in the crystalline lattice of polycrystals, influence a wide range of material phenomena ranging from how the material deforms to the electrical resistivity … yet materials scientists possess a limited range of techniques to explore the grain boundary character.”
Now, with this new technique, Boyce says, “I am excited to see how this work will inspire further developments that provide rapid, high-throughput characterization, especially techniques that can be used to decipher local grain boundary character below the spatial resolution limits of optical microscopy.”
The team also included Marco Volpi and Maria Vittora Diamanti of the Polytechnic University of Milan, in Italy; Srikanth Patala at North Carolina State University; and Ian McCue and Jonah Erlebacher at Johns Hopkins University, in Baltimore. The work was supported by the U.S. Department of Energy, the National Science Foundation, and the MISTI Seed Fund.

زکات علم نشر آن است. حضرت علی (ع)

شما نیز می توانید مستندات علمی اعم از مقاله ، فیلم ، گزارش ، تحقیق و پژوهش ، کتاب الکترونیک خود را برای ما ارسال کنید تا با ذکر نام شریفتان از وبسایت ایران مواد منتشر گردد .

فایل خود را ارسال کنید

دیدگاه کاربران ۰دیدگاه

دیدگاه خود را بنویسید