A*STAR-forskare har visat, genom en superdatorsimulering, att hög hållfasthet och formminne kan realiseras samtidigt genom att kombinera kristallkorn av olika storlekar, en bedrift som man tidigare trodde var omöjlig. Detta fynd visar potentialen hos avancerade simuleringar för att skräddarsy material för att uppnå tidigare ouppnåeliga fysiska egenskaper.

Formminneslegeringar (SMA) är material som kan återgå till sin ursprungliga form genom uppvärmning efter att ha deformerats vid låg temperatur - en egenskap som används i applikationer som nanoskala switchar och medicinsk utrustning som stentar och hängslen.

Dock, formminneslegeringar förlorar sin funktionalitet när storleken på de ingående kristallkornen går under en viss gräns - vanligtvis några tiotals nanometer.

"Ett par teorier har föreslagits för varför detta händer, " säger Jerry Quek från A*STAR's Institute of High Performance Computing. "Vi tror att det är svårare för minnesomvandlingen att äga rum vid korngränserna än inom själva kornen. Detta skapar en ytterligare yta mellan den transformerade minnesfasen i kornen och den otransformerade fasen vid korngränsen, vilket så småningom leder till att omvandlingen helt undertrycks vid mycket små kornstorlekar."

Detta är viktigt eftersom SMA, som de flesta polykristallina metaller, bli stark vid mycket små kornstorlekar, där minneseffekten går förlorad. Samtidigt som det verkade omöjligt att få styrka och minne på samma gång i samma material, men om det uppnåddes, det skulle dramatiskt kunna bredda den potentiella tillämpningen och användbara funktionerna för SMA:er.

"Vi motiverades av några tidigare studier som visade att kombinationen av två olika kornstorlekar kan resultera i en sammanslagning av användbara egenskaper som styrka och duktilitet, " säger Quek. "Men, rollen för dessa typer av mikrostrukturer i SMA var okänd. En simuleringsmetod är mycket effektiv för att undersöka sådana optimeringsprocesser eftersom en stor uppsättning simuleringar för olika variationer av kornmikrostruktur kan studeras systematiskt."

Sådana simuleringar är inte triviala, dock, och kommer till en mycket hög beräkningskostnad. Queks team använde i stor utsträckning Singapores National Supercomputing Centre, exekvera en kod som mödosamt simulerade förändringen i energi relaterad till atomstrukturen inom och runt upp till 3, 000 kristallkorn. Teamet fick sedan köra hundratals av dessa simuleringar med olika kristallstorlekskonfigurationer för att bekräfta statistiken.

"Vi var främst intresserade av den reversibla austenit-martensitfastransformationen, "förklarar Quek." De austenitiska och martensitiska faserna har olika atomarrangemang, och formminne är möjligt om materialet kan växlas reversibelt mellan de två faserna, till exempel genom att ändra temperaturen. "

För att studera detta fasbeteende, teamet simulerade och observerade hur den martensitiska fasen utvecklades genom att släcka en initial järn-palladiumlegering i austenittillstånd. Genom att studera ett brett utbud av kornstorlekskombinationer, forskarna kunde visa att bildandet av den martensitiska fasen, och därav utseendet av formminne, kan kontrolleras genom att modifiera kornstorleksfördelningen av mikrostrukturen.

"Vi fann att införandet av en population av större korn bland korn i nanostorlek återinför formminneseffekten samtidigt som den höga styrkan i nanoskalastrukturen bibehålls, som kan ha tillämpningar i situationer där både styrka och formminneseffekt är viktiga, " säger Quek. "Vi visade också att för en viss kombination av kornstorlekar, vi kan erhålla en mikrostruktur där en region genomgår fasomvandling till martensit medan andra regioner förblir austenitiska, som erbjuder möjligheten att designa material med en varierande grad av formminnesfunktionalitet över ett material."