Människor har kylt metallblandningar från flytande till fast material i tusentals år. Men överraskande nog, inte mycket är känt om exakt vad som händer under processen med stelning. Särskilt förbryllande är stelning av eutektik, som är blandningar av två eller flera fasta faser.

Ashwin Shahani, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid University of Michigan, arbetar för att lösa mysteriet om eutektisk stelning, och hans forskning har avslöjat ett invecklat och vackert universum av nanoskala stavar, ark och spiraler som bildas spontant i kylmetalllegeringar.

Vi satte oss nyligen för att prata med honom om hans senaste tidning, "Flerstegskristallisering av självorganiserad spiral-eutektik, "och hur det kan leda till en ny generation lättviktslegeringar och optiska produkter med egenskaper som är bättre än monolitiska material.

Vad motiverade dig att studera metall stelning?

Jag tycker att det är en av naturens mest anmärkningsvärda bedrifter. Hur kan dessa utarbetade mönster bildas spontant från en störd vätska? Varför väljer naturen ett mönster eller en konfiguration framför ett annat? Mycket av det är bara medfödd nyfikenhet och glädjen att dela det med mina elever.

Varför är det viktigt att förstå hur dessa nanoskala strukturer bildas?

Materialets nanoskala struktur ändrar dess egenskaper. Så om vi kan förstå varför en given struktur bildas, vi kan designa en tillverkningsprocess för att återskapa den, eller till och med ändra det för att bygga in specifika egenskaper som vi vill ha. Vi kan göra material som är lättare, eller starkare, eller som böjer ljus på ett visst sätt, till exempel.

Vad kan de nya materialen användas till?

Ett material som böjer ljus på ett visst sätt kan användas för att göra en osynlig beläggning. Du kan konstruera en enda plåt med egenskaper som skiljer sig längs ytan - till exempel en flygplansvinge som är starkare på vissa ställen och lättare på andra. Du kan göra lättare och mer bränsleeffektiva bilkomponenter. Möjligheterna är nästan oändliga.

Varför kan vi inte göra dessa material med hjälp av befintliga tillverkningsmetoder?

Vi kan, men det är extremt svårt och tidskrävande. Om vi ​​vill tillverka ett nanoskala spiralmönster, till exempel, vi måste använda litografi för att skriva ut varje liten spiral. Det är inte praktiskt för storskalig tillverkning. Men vad händer om du kan få dessa spiraler att montera sig själv bara genom att kyla vätskan annorlunda eller något ändra dess blandning av metaller? Det skulle göra processen mycket snabbare och mer skalbar.

Om människor har använt stelning så länge, varför har inte någon redan fattat detta?

För förr i tiden denna typ av forskning byggde på att dela upp ett material som redan har stelnat och titta på det under mikroskopet. Och det ger dig en mycket begränsad bild av hur stelning sker.

Vi använder en unik kombination av multiskala och multimodal bildteknik för att skapa en 3D-bild av vad som händer i realtid under stelningsprocessen. Det handlar om att kombinera många olika bildtekniker som kan ge oss en sammanhängande bild från mikrometern ända ner till enskilda atomer.

Vilka är några av utmaningarna med att kombinera all den tekniken?

En av de största utmaningarna är att högupplösta 3D-bilder är så datakrävande. Det gör detta till en både stor utmaning och en materialvetenskaplig utmaning. Självklart, bara att ha en hög datorkraft är viktigt, men vi har också introducerat några nya strategier. Till exempel, Vi har börjat använda algoritmer för maskininlärning för att kamma igenom våra data och hitta saker som är anmärkningsvärda.

Vad är nästa steg för denna forskning?

De flesta tekniska material består inte bara av två komponenter utan en cocktail av element. Så just nu, vi tittar på hur kemi påverkar stelningsprocessen. Om jag tillsätter en liten mängd av en annan metall till den smälta blandningen, hur förändrar det de nanoskala strukturer som bildas? Det är ytterligare ett steg mot att förstå och i slutändan kontrollera dessa strukturer.