Materialvetenskapsforskare har utvecklat en modell som kan redogöra för oegentligheter i hur atomer ordnar sig vid de så kallade "korngränserna" - gränsytan där två material möts. Genom att beskriva packningen av atomer vid dessa gränssnitt, verktyget kan användas för att hjälpa forskare att avgöra hur korngränser påverkar egenskaperna hos metallegeringar och andra material.

"Vi har vetat att dessa korngränser påverkar materialegenskaper i många decennier, " säger Srikanth Patala, motsvarande författare till en artikel om arbetet och en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid NC State University. "Men det har varit extremt svårt att förstå hur dessa defekter ser ut på atomnivå och, därför, att förstå hur dessa strukturella ojämnheter påverkar ett materials styrka, styvhet, duktilitet och så vidare.

"Nu har vi ett verktyg som låter oss se och faktiskt förstå hur dessa oordnade atomstrukturer verkligen ser ut - och det är ett stort steg mot att ta reda på exakt vad som händer, säger Patala.

De flesta material har en speciell atomstruktur som är ganska regelbunden. Till exempel, aluminium har en kubisk struktur, med atomer som radas upp i långa kedjor av kuber, medan titan formas till vad som i princip är staplar av hexagoner. Men när två material möts, som i en metallegering, dessa snygga, organiserade strukturer krockar med varandra, skapar den oordnade korngränsen.

Modellen som utvecklats i Patalas forskargrupp hittar oregelbundna tredimensionella former inom korngränsen, klassificerar dem och identifierar sedan mönster av dessa oregelbundna former.

"Framsteg inom mikroskopi kan hjälpa oss att ta bilder av hur atomer är ordnade i en korngräns, men då vet vi inte riktigt vad vi tittar på - du kan koppla ihop prickarna hur du vill, " säger Patala. "Vårt verktyg hjälper till att urskilja mönster av geometriska särdrag i ett atomärt landskap som kan verka kaotiskt.

"Nu när dessa mönster kan identifieras, nästa steg är för beräkningsforskare - som jag - att arbeta med experimentella forskare för att fastställa hur dessa mönster påverkar ett materials egenskaper, säger Patala.

När effekten av mönstren väl förstås, att information kan användas för att bättre identifiera styrkorna och svagheterna hos specifika korngränstyper, påskynda utvecklingen av nya legeringar eller andra material.

Verktyget, kallad Polyhedral Unit Model, kan användas för att modellera korngränser för alla material där attraktionen mellan atomer enbart styrs av avståndet mellan atomerna, såsom metaller och joniska fasta ämnen - inklusive en del keramik. Dock, tillvägagångssättet fungerar inte för material, som kol, som bildar så kallade riktningsbindningar.

"Vi arbetar för närvarande med att göra Polyhedral Unit Model allmänt tillgänglig genom programvara med öppen källkod, " säger Patala. "Vi planerar att ha den ute i slutet av året, och förhoppningsvis tidigare."

Pappret, "En tredimensionell polyedrisk enhetsmodell för korngränsstruktur i fcc-metaller, " publiceras i tidskriften Nature npj Beräkningsmaterial .