En grundläggande upptäckt som förändrar vår nuvarande förståelse av hur metaller stelnar och bildar kristallina mönster kan hjälpa till att leda till bättre kontroll av gjutnings- och svetsprocesser. Den förklarar också hur snöflingor och många mineralmönster bildas naturligt.

Omprövar data från hans 20-åriga NASA-experiment som involverade upprepad frysning och smältning av högrent material i mikrogravitation, Martin Glicksman, forskningsprofessor i materialvetenskap och Allen Henry-stolen vid Florida Institute of Technology, arbetar med Kumar Ankit på School of Matter, Transport och energi vid Arizona State University, upptäckte hur naturen styr bildandet av komplexa mönster i material som kristalliserar.

Glicksman upptäckte ett energifält som påverkar alla kristalliserande ämnen, som han betecknade biasfältet som han tror är naturens sätt att styra cellulära och förgrenade dendritiska mikrostrukturer som bildas under stelning av de flesta metaller och legeringar.

"I de sista faserna av smältningen, nålliknande kristaller förändrades plötsligt till sfärer, och så för första gången någonsin, när vi såg stationära partiklar smälta i mikrogravitation och observerade deras ganska anmärkningsvärda formförändring, " sa Glicksman.

"Jag sade, " han lade till, "'Det måste vara något mer på gång än bara buller'."

Tidigare, och fortfarande, många forskare tror att det som orsakar mönsterbildning är slumpmässigt brus - alla ljudvibrationer eller störningar som verkar på ett stelnande material. Glicksman och Ankit har hittat en subtil intern energikälla - förspänningsfältet uppstår som faktiskt modulerar hastigheten på gränssnittet fast/vätske i små skalor och slutar med att skapa anmärkningsvärt komplexa strukturer. Detta fynd har bekräftats teoretiskt och genom avancerade simuleringsmetoder.

"Vi hade turen att utföra experiment i mikrogravitation, där bias field idén ursprungligen föreslogs för att förklara förekomsten av ovanliga smältmönster, "Sade Glicksman. "Nu har vi en bra termodynamisk teori och bevis för att stödja den idén."

Glicksman och Ankit publicerade nyligen sina resultat som bevisar förekomsten av biasfält i tidskriften Metaller .

Eftersom processen att stelna metaller producerar grenliknande interna mikromönster som stör den kemiska homogeniteten hos gjutna material, att ha en bättre förståelse för biasfältets roll i deras bildande öppnar vägar för ingenjörer att göra förbättringar i gjutna och svetsade material som vanligtvis används i allt från bilar och flygplan till medicinska instrument.

"Om vi ​​förväntar oss förbättringar i strukturen av gjutgods, svetsningar och andra stelningsprocesser, vi måste känna till och tillämpa den korrekta fysiken, "Glicksman sa. "Denna upptäckt kan potentiellt leda till metallurgiska processförbättringar."