新型显微镜揭示先进材料中隐藏的原子结构

一种新的显微镜技术使研究人员能够观察结晶材料原子结构的微小变化，如造船用的高级钢材和电子产品用的定制硅。这种方法有望加深我们对材料特性和行为的基本起源的理解。

在发表于《自然-材料》（Nature Materials）的一篇论文中，悉尼大学航空航天、机械和机电工程学院的研究人员介绍了一种解码材料内部原子关系的新方法。

这一突破有助于为航空航天业开发更坚固、更轻的合金，为电子产品开发新一代半导体，为电机开发改良磁铁。此外，它还能创造出可持续、高效和具有成本效益的产品。

这项研究由悉尼大学副校长（研究基础设施）西蒙-林格（Simon Ringer）教授领导，利用原子探针断层扫描（APT）的威力揭示了短程有序（SRO）的复杂性。短程有序过程是了解局部原子环境的关键，而局部原子环境对于开发新一代合金和半导体所需的创新材料至关重要。

SRO 有时被比作"材料基因组"，即晶体内原子的排列或配置。这一点非常重要，因为不同的局部原子排列会影响材料的电子、磁性、机械、光学和其他特性，而这些特性会影响一系列产品的安全性和功能性。

原子探针模拟的二维原子图像。资料来源：悉尼大学

迄今为止，研究人员一直难以测量和量化 SRO，因为原子排列的尺度非常小，传统的显微镜技术很难看到。

Ringer 教授团队开发的使用 APT 的新方法克服了这些挑战，为材料科学的进步铺平了道路，可能会对船体用钢和各行各业电子产品用定制硅产生深远影响。

航空航天、机械和机电工程学院（AMME）的材料工程师 Ringer 教授说："我们的研究在材料科学领域取得了重大突破。除了晶体结构和对称性，我们还想更多地了解晶体内原子尺度的邻域关系--它们是随机的，还是非随机的？如果是后者，我们希望对其进行量化。SRO 为我们提供了这方面的详细信息，为逐个原子定制设计的材料开辟了广阔的可能性，这些材料具有特定的邻域排列，可实现所需的特性，如强度。"

研究的重点是高熵合金，这种合金在各种先进工程应用中大有可为。

Ringer教授说："这些合金是全球范围内大量研究工作的主题，因为人们希望将它们用于需要高温强度的场合，如喷气发动机和发电厂，以及需要防止辐射损伤的核反应堆中的中子辐照屏蔽。"

研究小组利用先进的数据科学技术，借鉴了 APT 的数据。APT 是一种复杂的成像技术，能以三维方式显示原子，使研究小组能够观察和测量 SRO，比较合金在不同加工条件下的变化情况。

研究重点是观察钴铬镍高熵合金，揭示不同的热处理如何改变 SRO。

"这为今后研究SRO控制关键材料特性提供了一个模板。"Ringer 教授说："在 SRO 分析的各个方面还有很多工作要做--这是一个难题，但这是向前迈出的重要一步。"

航空航天、机械和机电工程学院博士后研究员何孟伟博士说：

"测量和理解短程有序的能力改变了我们的材料设计方法。它给了我们一双新的眼睛，让我们看到原子级结构的微小变化是如何实现材料性能的巨大飞跃的"。

重要的是，这项研究提高了研究人员对材料行为进行计算模拟、建模和最终预测的能力，因为 SRO 提供了详细的原子尺度蓝图。

高级博士后研究员安德鲁-布林（Andrew Breen）博士说："我们已经证明，在某些情况下确实可以使用原子探针断层扫描技术测量SRO。我们不仅开创了测量SRO的实验方法和计算框架，还进行了灵敏度分析，精确界定了这种测量有效和无效的情况范围。"

威尔-戴维德（Will Davids）博士在林格教授的指导下完成了博士学位，目前在工程公司Infravue工作："这是一个令人兴奋的进步，因为我们已经证明可以在多组分合金中进行SRO测量，这无疑将使材料科学与工程界受益匪浅。现在，业界将希望了解如何进一步扩大 SRO 的可测量范围，因此这一研究领域的巨大空间刚刚打开。"

编译自/ScitechDaily