Materialvetenskap är ett område som Jason Trelewicz har varit intresserad av sedan han var ett litet barn, när hans far – ingenjör – skulle ta honom till jobbet. I materiallabbet på sin fars arbetsplats, Trelewicz skulle använda optiska mikroskop för att zooma in på materialytor, fascinerad av alla distinkta särdrag som han skulle se när ljus interagerade med olika prover.

Nu, Trelewicz – en biträdande professor vid College of Engineering and Applied Sciences Institutionen för materialvetenskap och kemiteknik med en gemensam anställning vid Institute for Advanced Computational Science vid Stony Brook University och huvudutredare för Engineered Metallic Nanostructures Laboratory – drar fördel av mycket högre förstoringar av elektronmikroskop för att se små nanostrukturer i fina detaljer och lära sig vad som händer när de utsätts för värme, strålning, och mekaniska krafter. Särskilt, Trelewicz är intresserad av nanostrukturerade metallegeringar (metaller blandade med andra element) som införlivar nanometerstora egenskaper i klassiska material för att förbättra deras prestanda. Informationen som samlas in från elektronmikroskopistudier hjälper honom att förstå interaktioner mellan strukturella och kemiska egenskaper på nanoskala. Denna förståelse kan sedan användas för att justera egenskaperna hos material för användning i allt från flyg- och fordonskomponenter till konsumentelektronik och kärnreaktorer.

Sedan 2012, när han kom till Stony Brook University, Trelewicz har använt elektronmikroskop och klustret för högpresterande beräkningar (HPC) vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) – ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory – för att utföra sin forskning.

"Just då, Jag letade efter sätt att tillämpa min idé om att stabilisera nanostrukturer i metaller på ett applikationsorienterat problem, ", sa Trelewicz. "Jag har länge varit intresserad av kärnenergiteknik, läste först om fusion i grundskolan. Tanken på att återskapa de processer som är ansvariga för den energi vi får från solen här på jorden var fängslande, och underblåste mitt intresse för kärnenergi under hela min akademiska karriär. Även om vi fortfarande är väldigt långt borta från en fusionsreaktor som genererar kraft, ett stort internationellt team på ett projekt under uppbyggnad i Frankrike som heter ITER arbetar för att demonstrera en långvarig fusionsreaktion i stor skala."

Plasma-vända material för fusionsreaktorer

Kärnfusion – reaktionen där atomkärnor kolliderar – kan ge ett nästan obegränsat utbud av säkra, ren energi, som det som naturligt produceras av solen genom att smälta samman vätekärnor till heliumatomer. Att utnyttja denna kolfria energi i reaktorer kräver generering och underhåll av ett plasma, en joniserad gas, vid de mycket höga temperaturer vid vilka fusion sker (ungefär sex gånger varmare än solens kärna) samtidigt som den begränsar den med hjälp av magnetfält. Av de många utmaningar som för närvarande står inför demonstrationer av fusionsreaktorer, ett särskilt intresse för Trelewicz är att skapa livskraftiga material för att bygga en reaktor.

"De formidabla materialutmaningarna för fusion är där jag såg en möjlighet för min forskning - att utveckla material som kan överleva inuti fusionsreaktorn, där plasman kommer att generera höga värmeflöden, höga termiska spänningar, och höga partikel- och neutronflöden, ", sade Trelewicz. "De operativa förhållandena i den här miljön är bland de svåraste där man kan förvänta sig att ett material ska fungera."

En primär kandidat för sådant "plasma-vändande material" är volfram, på grund av dess höga smältpunkt – den högsta bland metaller i ren form – och låga förstoftningsutbyte (antal atomer som kastas ut av energiska joner från plasman). Dock, volframs stabilitet mot omkristallisation, oxidationsbeständighet, långvarig strålningstolerans, och mekanisk prestanda är problematisk.

Trelewicz tror att design av volframlegeringar med exakt skräddarsydda nanostrukturer kan vara ett sätt att övervinna dessa problem. I Augusti, han fick 750 dollar, 000 femårigt pris från DOE:s Early Career Research Program för att utveckla stabila nanokristallina volframlegeringar som tål den krävande miljön i en fusionsreaktor. Hans forskning kombinerar simuleringar som modellerar atomära interaktioner och experiment som involverar exponering av jonbestrålning i realtid och mekaniska tester för att förstå de grundläggande mekanismerna som är ansvariga för legeringarnas termiska stabilitet, strålningstolerans och mekanisk prestanda. Insikterna från denna forskning kommer att informera om utformningen av mer elastiska legeringar för fusionstillämpningar.

Förutom de beräkningsresurser de använder på sin heminstitution, Trelewicz och hans labbgrupp använder HPC-klustret vid CFN - och de på andra DOE-anläggningar, såsom Titan på Oak Ridge Leadership Computing Facility (en DOE Office of Science User Facility vid Oak Ridge National Laboratory) – för att genomföra storskaliga atomistiska simuleringar som en del av projektet.

"Längdskalorna för de strukturer vi vill designa i våra material är i storleksordningen några nanometer till 100 nanometer, och en enda simulering kan involvera upp till 10 miljoner atomer, " sa Trelewicz. "Med HPC-kluster, vi kan bygga ett system atom för atom, representativ för strukturen vi skulle vilja utforska experimentellt, och kör simuleringar för att studera systemets respons under olika yttre stimuli. Till exempel, vi kan skjuta in en högenergiatom i systemet och se vad som händer med materialet och hur det utvecklas, hundratals eller tusentals gånger. När skadan har samlats i strukturen, vi kan simulera termiska och mekaniska krafter för att förstå hur defektstruktur påverkar andra beteenden."

Dessa simuleringar informerar om strukturerna och kemin hos experimentella legeringar, som Trelewicz och hans studenter tillverkar vid Stony Brook University genom högenergifräsning. För att karakterisera strukturen i nanoskala och den kemiska fördelningen av de konstruerade legeringarna, de använder i stor utsträckning mikroskopifaciliteterna på CFN – inklusive svepelektronmikroskop, transmissionselektronmikroskop, och sveptransmissionselektronmikroskop. Avbildning utförs med hög upplösning och kombineras ofta med uppvärmning i mikroskopet för att i realtid undersöka hur strukturerna utvecklas med temperaturen. Experiment utförs också vid andra nationella DOE-labb, som Sandia genom samarbete med materialvetaren Khalid Hattar från Ion Beam Laboratory. Här, studenter i Trelewiczs forskargrupp bestrålar samtidigt de konstruerade legeringarna med en jonstråle och avbildar dem med ett elektronmikroskop under loppet av många dagar.

"Även om denna skada inte kan jämföras med vad materialet skulle uppleva i en reaktor, det ger en utgångspunkt för att utvärdera huruvida det konstruerade materialet verkligen skulle kunna hantera några av begränsningarna hos volfram för fusionstillämpningar, sa Trelewicz.

Elektronmikroskopi vid CFN har spelat en nyckelroll i en spännande upptäckt som Trelewiczs studenter nyligen gjorde:en oväntad metastabil-till-stabil fasövergång i tunna filmer av nanostrukturerad volfram. Denna fasövergång driver en onormal "korn" tillväxtprocess där vissa kristallina nanostrukturer växer mycket dramatiskt på bekostnad av andra. När eleverna tillsatte krom och titan till volfram, denna metastabila fas eliminerades helt, i sin tur förbättrar materialets termiska stabilitet.

"En av de stora aspekterna av att ha både experimentella och beräkningskomponenter i vår forskning är att när vi lär oss nya saker från våra experiment, vi kan gå tillbaka och skräddarsy simuleringarna för att mer exakt återspegla de faktiska materialen, sa Trelewicz.

Andra projekt i Trelewiczs forskargrupp

Forskningen med volfram är bara ett av många projekt som pågår i Engineered Metallic Nanostructures Laboratory.

"Alla våra projekt faller under paraplyet att utveckla nya metallegeringar med förbättrade och/eller multifunktionella egenskaper, ", sa Trelewicz. "Vi tittar på olika strategier för att optimera materialprestanda genom att kollektivt skräddarsy kemi och mikrostruktur i våra material. Mycket av vetenskapen ligger i att förstå de nanoskaliga mekanismerna som styr egenskaperna vi mäter i makroskala."

Genom en utmärkelse från National Science Foundation CAREER (Faculty Early Career Development Program), Trelewicz och hans forskargrupp utforskar en annan klass av höghållfasta legeringar - amorfa metaller, eller "metalliska glasögon, " som är metaller som har en oordnad atomstruktur som liknar glas. Jämfört med vanliga metaller, metallglas har ofta högre hållfasthet men vanligtvis mycket spröda, och det är svårt att göra dem i stora delar som bulklak. Trelewiczs team designar gränssnitt och konstruerar dem i metallglasen – från början järnbaserade och senare zirkoniumbaserade – för att förbättra materialens seghet, och utforska additiv tillverkningsprocesser för att möjliggöra plåtproduktion. De kommer att använda Nanofabrication Facility vid CFN för att tillverka tunna filmer av dessa gränssnittskonstruerade metallglas för in situ-analys med hjälp av elektronmikroskopitekniker.

I ett liknande projekt, de försöker förstå hur införandet av en kristallin fas i en zirkoniumbaserad amorf legering för att bilda en metallisk glasmatriskomposit (som består av både amorfa och kristallina faser) ökar deformationsprocessen i förhållande till den för vanliga metallglas. Metallglas misslyckas vanligtvis katastrofalt eftersom spänningen blir lokaliserad till skjuvband. Införande av kristallina områden i metallglasen skulle kunna hämma processen genom vilken spänning lokaliseras i materialet. De har redan visat att närvaron av den kristallina fasen fundamentalt förändrar mekanismen genom vilken skjuvbanden bildas.

Trelewicz och hans grupp undersöker också deformationsbeteendet hos metalliska "nanolaminat" som består av alternerande kristallina och amorfa skikt, och försöker närma sig den teoretiska gränsen för styrka i lättviktsaluminiumlegeringar genom synergistiska kemiska dopningsstrategier (att lägga till andra element i ett material för att ändra dess egenskaper).

"Vi utnyttjar CFN:s resurser för varje pågående projekt i min forskargrupp, ", sa Trelewicz. "Vi använder i stor utsträckning elektronmikroskopianläggningarna för att titta på materialmikro- och nanostruktur, mycket ofta på hur gränssnitt är kopplade till sammansättningsinhomogeniteter – information som hjälper oss att stabilisera och designa gränssnittsnätverk i nanostrukturerade metallegeringar. Beräkningsmodellering och simulering som möjliggörs av HPC-klustren vid CFN informerar om vad vi gör i våra experiment."

Utöver sitt arbete på CFN, Trelewicz samarbetar med sina avdelningskollegor för att karakterisera material vid National Synchrotron Light Source II - en annan DOE Office of Science User Facility i Brookhaven.

"Det finns olika sätt att karakterisera strukturella och kemiska inhomogeniteter, ", sade Trelewicz. "Vi tittar på små mängder material genom elektronmikroskopen vid CFN och på mer av en bulknivå vid NSLS-II genom tekniker som röntgendiffraktion och mikro/nano-proben. Vi kombinerar denna lokala och globala information för att grundligt karakterisera ett material och använder denna information för att optimera dess egenskaper."

Framtiden för nästa generations material

När han inte forskar, Trelewicz är vanligtvis upptagen med studentuppsökande. Han knyter an till teknikavdelningarna på olika skolor, förse dem med materialtekniska designprojekt. Studenterna deltar inte bara i de tekniska aspekterna av materialdesign utan utbildas också i hur man använder 3D-skrivare och andra verktyg som är avgörande i dagens samhälle för att tillverka produkter mer kostnadseffektivt och med bättre prestanda.

Går framåt, Trelewicz skulle vilja utöka sina samarbeten vid CFN och hjälpa till att etablera sin forskning inom metalliska nanostrukturer som ett kärnområde som stöds av CFN och, i sista hand, HIND, för att uppnå oöverträffade egenskaper i klassiska material.

"Att kunna lära sig något nytt varje dag, använda den kunskapen för att påverka samhället, och att se mina elever fylla luckor i vår nuvarande förståelse är det som gör min karriär som professor så givande, " sa Trelewicz. "Med resurserna från Stony Brook University, närliggande CFN, och andra DOE-labb, Jag har en fantastisk plattform för att ge bidrag till området materialvetenskap och metallurgi."