Forskare och ingenjörer som arbetar med material – metaller, polymerer, keramik, kompositer, och glasögon – vet att i någon skala, prediktiv förmåga bryts ner bland fluktuationerna som kallas "stokasticitet". På atomär skala till exempel, även den mest perfekta kristallen har termodynamiska fluktuationer, i form av "punktdefekter" – atomer som saknas i kristallgittret. I ett annat exempel, atomerna i ett legeringsmaterial kan fördela sig på många sätt:en legering gjord av kiselgermanium, kan vara hälften och hälften av varje element totalt, men med stokastiska fluktuationer varierar förhållandet i vilket dessa element finns på olika längdskalor genom hela materialet.

I en tidning publicerad i Tillämpad fysik recensioner , en grupp forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute, pekar på fyra bakomliggande orsaker till sådana fluktuationer som spänner över material, hävdar att stokasticitet är inneboende i alla material och förtjänar större utforskning som ett studieområde.

"Vi föreslår ett nytt ramverk för att förstå stokasticitet som ett viktigt förenande fenomen över material, sa Robert Hull, Henry Burlage professor i teknik och chef för Rensselaer Center for Materials, Enheter, och integrerade system, och huvudförfattare till tidningen. "Det finns en möjlighet att ta en större syn på stokasticitet - att utöka vår syn från individuella observationer baserade på en enda klass av material till ett bredare perspektiv över material - för större kontroll över både utmaningarna och potentiella fördelar det erbjuder inom materialvetenskap och teknik."

Hull fick sällskap på tidningen av Rensselaers kollegor Pawel Kelinski, professor och chef för materialvetenskap och teknik; Dan Lewis, docent i materialvetenskap och teknik; Antoinette Maniatty, professor i mekanisk, flyg, och kärnteknik; Vincent Meunier, Jeffrey L. Kodosky '70 Career Development Constellation ordförande och chef för fysik, tillämpad fysik, och astronomi; Assad A. Oberai, tidigare biträdande dekanus vid Ingenjörshögskolan, nu vid University of Southern California; Catalin Picu, associerad huvudmekanisk, flyg, och kärnteknik; Johnson Samuel, docent i mekanik, flyg, och kärnteknik; Mark S. Shephard, Elisabeth C. och Samuel A. Johnson '37 professor i teknik; Minoru Tomozawa, professor i materialvetenskap och teknik; Deepak Vashishth, chef för Rensselaer Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies; och Shengbai Zhang, Gail och Jeffrey L. Kodosky '70 lärostolen i fysik, Informationsteknologi, och entreprenörskap.

Alla material uppvisar stokasticitet i någon tids- eller längdskala, men materialforskare konfronterar vanligtvis dessa fluktuationer från fall till fall, medan de bredare konsekvenserna av stokasticitet fortfarande är underutforskade, sa Hull.

"Det faktum att den inre strukturen hos material vid någon tids- eller längdskala blir oenhetlig och oförutsägbar är ett fenomen som underbygger nästan allt vi gör, och ändå har vi bara bitvis information om dess effekter, "Sade Hull. "Vi tror att materialstokasticitet som ett distinkt studieområde kan ge värdefulla insikter som kommer att främja vår förmåga att förstå och manipulera material."

Tidningen granskar fyra "breda klasser" av stokasticitet i material:termodynamiska fluktuationer, strukturella/sammansättningsfluktuationer, kinetiska fluktuationer, och frustration/degeneration. Den tar också hänsyn till stokastiska effekter som härrör från oprecision i mätning och osäkerheter i modellering och simulering.

Kinetiska fluktuationer, till exempel, är tidsmässiga fluktuationer i utvecklingen av materials inre struktur ("materialens mikrostruktur"). Ett välkänt exempel ses inom metallurgin, där värme och stress används för att förändra den inre strukturen hos metallegeringar som stål. På en mikroskopisk nivå, stål, gjorda av järn och kol och andra element, bildar lokalt distinkta regioner som kallas "korn" och "faser". Fördelningen av korn och faser och deras karakteristiska storlekar är beroende av kinetiska fluktuationer under bearbetningen av materialet och påverkar kritiska tekniska egenskaper som draghållfasthet och duktilitet. Historien om stålbearbetning, spänner över årtusenden, är i huvudsak ett försök att använda värme och stress för att kontrollera kornstorlek och fasfördelning och därför optimera dess egenskaper.

Ståltillverkare är skickliga på att tillämpa specifika tekniker för att ge en konsekvent produkt, men en mer exakt förståelse av kinetiska fluktuationer skulle kunna skapa nya förutsägbara varianter av materialmikrostruktur med förbättrade eller nya egenskaper. Forskning om de tre andra klasserna av materialstokasticitet erbjuder liknande löften.

Som ett botemedel, forskarna föreslår stokasticitet som ett studieområde och erbjuder också ett matematiskt ramverk för att beskriva materialstokasticitet. Detta ramverk, sa Hull, gör det möjligt att överväga stokasticitet under en förenande metodik.

Till sist, forskarna ser potentiella fördelar med att utnyttja stokasticitet. Vanligtvis, fluktuationerna av stokasticitet anses vara en utmaning att kontrollera och mildra. Men det är möjligt, forskarna skrev, att en större förståelse för stokasticitet kommer att avslöja situationer där de inneboende fluktuationerna av material ger nya materialegenskaper.

"Naturen har gett oss ett begränsat antal element, och sätt att kombinera dem, sa Hull. "Kanske, inom stokasticitet, vi kan finna nya frihetsgrader inom den materiella uppsättningen som tidigare har varit okända."

"Stochasticitet i materialstruktur, egenskaper, och bearbetning—En recension" dök upp i mars 2018-upplagan av Tillämpad fysik recensioner .