De mest betydande framstegen inom den mänskliga civilisationen kännetecknas av utvecklingen av de material som människor använder. Stenåldern gav vika för bronsåldern, vilket i sin tur gav vika för järnåldern. Nya material stör dåtidens teknologier, förbättra livet och människans tillstånd.

Modern teknik kan också direkt spåras till innovationer i de material som används för att tillverka dem, som exemplifieras av användningen av kisel i datorchips och toppmoderna stål som stödjer infrastrukturen. I århundraden, dock, material och legeringsdesign har förlitat sig på användningen av en bas, eller rektor, element, till vilka små fraktioner av andra grundämnen tillsätts. Ta stål, till exempel, i vilka små mängder kol tillsätts till huvudelementet järn (Fe), leda till förbättrade egenskaper. När små mängder andra element tillsätts, stålet kan skräddarsys för, säga, förbättrad korrosionsbeständighet eller förbättrad hållfasthet.

Går tillbaka till en idé som föreslogs 2004, de senaste åren har sett framväxten av ett nytt paradigm inom legeringsdesign, där tre eller flera grundämnen blandas i ungefär lika stora proportioner. Namngivna multiprincipal element legeringar (MPEAs), eller ofta känd som en undergrupp av dessa legeringar som kallas högentropilegeringar, dessa material suddar ut skillnaden mellan majoritets- och minoritetsbefolkningar av element. Denna mer perfekta förening av atomära partners som utgör det kollektiva materialet uppvisar spännande egenskaper som gör att de kan prestera bättre än sina traditionella motsvarigheter.

"Vissa av dessa material uppvisar exceptionella kombinationer av styrka, duktilitet och skadetolerans, " skriver ett team av UC Santa Barbara-forskare - inklusive materialprofessorerna Dan Gianola, Tresa Pollock och Irene Beyerlein, och postdoktor Fulin Wang – och deras medförfattare i en artikel som publicerades idag i tidskriften Vetenskap . "Eldfasta legeringar [tillverkade av en grupp av nio metallelement i det periodiska systemet som är mycket motståndskraftiga mot värme och slitage] är attraktiva kandidater för användning vid extremt höga temperaturer i samband med många tekniska tillämpningar."

MPEAs motiverade utvecklingen av eldfasta MPEAs, gjordes först 2010. Men att använda flera legeringar ökar nästan oändligt antalet möjliga legerings-"recept". Det stora antalet kombinationer som kan uppnås sätter scenen för användningen av avancerad beräkningsscreening och maskininlärning för att rikta in sig på de materialundergrupper som har de mest intressanta och önskvärda egenskaperna.

"För att dessa metoder ska bli framgångsrika, det är avgörande att legeringsdesignprocessen styrs av en förståelse för ursprunget till de specifika egenskaper som önskas, " skriver Julie Cairney, en professor vid School of Aerospace, Mekanisk och mekatronisk teknik, vid University of Sydney, i Australien, i ett sällskapsstycke.

I deras Vetenskap papper, UCSB-teamet och kollegor vid University of Kentucky, U.S. Naval Research Laboratory, och U.S. Air Force Research Laboratory, föreslå ett sätt att förbättra förmågan att förutsäga vilka legeringar som kan ha värdefulla egenskaper.

Främst bland sådana egenskaper är en legerings förmåga att deformeras, dvs vara gjuten eller böjd, utan att spricka och för att bibehålla dess materialintegritet under de överdrivna belastningarna och den höga värmen som finns i extrema miljöer, som i flygplansvingar, raketmotorer och industriturbiner.

"På atomnivå, ett material deformeras, eller ändrar sin form, som ett resultat av rörliga atomer, " förklarade Wang, en postdoc i Gianolas labb.

Metallernas kristallina strukturer består av staplade plan av atomer organiserade i ett mycket regelbundet rutnät. När en metall deformeras, atomer rör sig, eller glida, över varandra på rutnätet. Linjen som skiljer de regioner där atomer har rört sig och där de inte har det kallas en dislokation. Egenskaperna hos dislokationer, inklusive hur lätt och var de kan flytta, blir därför mycket viktig för materialets deformationsbeteende.

Trots fördelarna med MPE-legeringar, utvecklingen av dem har gått långsamt. Medan traditionella försök-och-fel-metoder är ineffektiva, från ca 2017, mer forskningsansträngningar ägnades åt att utveckla teorier för att försöka identifiera den bakomliggande orsaken till att en viss legering hade önskvärda egenskaper.

"Men, "Wang sa, "det saknas experimentella bevis för att informera några kritiska delar av teorin. När jag började arbeta med det här projektet, min omedelbara fråga var, vad är speciellt med MPEA jämfört med traditionella legeringar? Eftersom vi är intresserade av mekaniska egenskaper, vi fokuserar på dislokationerna."

I den här studien, forskarna använde elektronmikroskopi för att undersöka konfigurationerna av dislokationer och avslöja de mekanistiska ursprung som ger upphov till önskvärda egenskaper i en modelllegering. Kombinerat med de atomistiska simuleringarna från gruppen av Irene Beyerlein, de visade att det slumpmässiga fältet av olika element låser upp flera vägar för dislokationsrörelser, funktioner som inte finns i konventionella legeringar.

"För konventionella dislokationer, kraften att bryta atombindningar vid en dislokation är enkelvärderad eftersom alla atomer är lika, ", sa Beyerlein. "För MPE-dislokationen, denna kraft kan inte vara deterministisk. Strukturen för en MPE-dislokation omdefinieras när den försöker röra sig genom slumpmässigt föränderliga atommiljöer.

"Med våra atomistiska beräkningar, vi tog tillvägagångssättet att förvänta oss det oväntade och undersökte inte bara de vanliga lägena utan ytterligare högre glidlägen, vanligtvis försummat i litteraturen hittills, ", tillade hon. "Vi utförde också tusentals beräkningar, som avslöjade hur mycket varierande denna kritiska dislokationskraft kan vara och hur gynnsamma alternativa högre slirningssätt är."

Studien är en del av ett större samarbete som leds av Pollock och finansieras av Office of Naval Research, heter MPE.edu, som också involverar UCSB-forskarna Carlos Levi och Anton van der Ven, syftar till att få grundläggande insikter om hur man bäst utforskar det stora eldfasta legeringsutrymmet.

"Medan sammansättningsmässigt komplexa legeringar länge har varit intressanta för oss, framstegen med att utforska det stora kompositionsutrymmet har varit långsamma, " sa Pollock. "Med MPE-projektet, vi sammanförde ett team som använde nya beräkningar, maskininlärning, och experimentella verktyg, som har gjort det möjligt för oss att upptäcka nya beteenden och snabbt utforska nya kompositionsdomäner. De mycket höga smältpunkterna för de eldfasta materialen av intresse har gjort dem notoriskt svåra att tillverka och studera tidigare, men våra nya tillvägagångssätt, kombinerat med möjlighet till 3D-utskrift, förändra landskapet helt."

"Detta arbete är symboliskt för den verkliga kraften i att kombinera experiment med simulering och teori, ", sa Gianola. "Många forskare betalar läpparnas bekännelse till denna synergi, men den här studien kunde inte ha gått så långt som den gjorde utan konstant fram och tillbaka mellan experiment- och simuleringsgrupperna. Framtiden ser mycket ljus ut."