固體材料之間的界面是具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表面（左側(cè)示出）。要控制該結(jié)構(gòu)，并將其用于特定應(yīng)用程序，研究人員將其模擬了一種簡(jiǎn)化的方式（如右圖所示）。圖像：NIAZ ABDOLRAHIM和JOSE-LUIS OLIVARES / MIT

麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始探索材料內(nèi)部?jī)?nèi)部的圖案化表面的影響，揭示內(nèi)部圖案的控制可以導(dǎo)致所得材料性能的顯著改善。

圖案化表面是尋求誘導(dǎo)呼吸水或粘附在其他東西的表面的研究人員之間的憤怒，或者改變材料的電氣性質(zhì)。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家已經(jīng)增加了一種新的皺紋來(lái)研究表面的圖案：雖然大多數(shù)研究專(zhuān)注于材料外表面的模式，Michael Demkowicz和他的團(tuán)隊(duì)在MIT的材料科學(xué)和工程系（DMSE）中已經(jīng)開(kāi)始探討了材料深度在材料中的圖案化表面的影響 - 具體而言，在層之間的界面處結(jié)晶材料。

他們的結(jié)果在科學(xué)報(bào)告中發(fā)表，表明這種內(nèi)部圖案的控制可以導(dǎo)致所得材料性能的顯著改善。

Demkowicz解釋說(shuō)，許多研究旨在創(chuàng)造分層復(fù)合材料，具有所需的強(qiáng)度，靈活性或抗振動(dòng)，溫度變化或輻射。但實(shí)際上控制了兩個(gè)材料在復(fù)合材料中相遇的表面是一個(gè)棘手的過(guò)程。

“人們不會(huì)將它們視為表面，”DMSE副教授Demkowicz說(shuō)。“如果他們這樣做，他們將其視為均勻的表面，但事實(shí)證明，大多數(shù)接口并不均勻。”

為了控制這些材料的性質(zhì)，Demkowicz說(shuō)，必須了解和引導(dǎo)這些不均勻的接口。他和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)拍攝了用于描述表面的平均屬性的經(jīng)典方程，并改編它們來(lái)改變這些表面的變化“位置通過(guò)位置。這并不容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但我們可以直接在計(jì)算機(jī)模擬中進(jìn)行。“

他說(shuō)，在這些接口上分布在這些接口中的缺陷或變體如何分配缺陷或變體的能力，這對(duì)于一系列應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)是有用的。例如，在融合電力反應(yīng)堆內(nèi)壁上使用的材料中，這種圖案可以在極端條件下產(chǎn)生耐久性的大差異。

由于這些反應(yīng)器中的金屬壁被α粒子轟擊 - 氦原子的核 - 從融合反應(yīng)中，這些顆粒嵌入自己并形成微小的氦氣泡，隨著時(shí)間的推移可以削弱材料并導(dǎo)致它失敗。

“這是極端的極端環(huán)境，”Demkowicz說(shuō)。但是，通過(guò)控制材料內(nèi)的圖案，使得氣泡排列并形成通道，他說(shuō)，氦氣可以簡(jiǎn)單地漫射而不是積累。“如果我們成功地這樣做，要為氦逃脫生產(chǎn)途徑，它可能是巨大的，”他說(shuō)。

“通過(guò)利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為模板，與人們對(duì)曲面有什么類(lèi)似，我們可以制作泡沫形式的頻道，”Demkowicz增加。他說(shuō)，相同的原則可以應(yīng)用于工程材料的材料的性質(zhì)，例如控制音源的振動(dòng)或聲音 - 通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，這在熱電裝置的生產(chǎn)中可能是重要的。類(lèi)似地，在材料內(nèi)的擴(kuò)散途徑的創(chuàng)建有助于提高鋰離子電池和燃料電池的裝置的效率。

“材料的機(jī)械性能也取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此您可以使它們強(qiáng)大或弱，”Demkowicz通過(guò)控制這些接口來(lái)說(shuō)。雖然材料通常用于力量，但有些應(yīng)用程序在其中“你想要一些容易在接縫處的東西”，而他說(shuō)。

佐治亞理工學(xué)院研究所的執(zhí)行董事David L. McDowell，他不參與這項(xiàng)工作，說(shuō)它“令人興奮的是，它提供了利用延長(zhǎng)缺陷的實(shí)用減少階段，影響和裁縫性能和材料界面的響應(yīng)。界面設(shè)計(jì)中的這些高吞吐量進(jìn)展是實(shí)現(xiàn)美國(guó)材料基因組倡議的愿景的關(guān)鍵組成部分，在一半的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)新的和改進(jìn)的材料和一半的成本。“

研究團(tuán)隊(duì)還包括Postdocs Aurelien Vattre（現(xiàn)在在法國(guó)原子能和替代方案委員會(huì)），NIAZ ABDOLRAHIM和KEDARNATH KOLLURI。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。

出版物：A.J.Vattré等，“使用縮小訂單模型的圖案接口的計(jì)算設(shè)計(jì)”，科學(xué)報(bào)告4，物品編號(hào)：6231; DOI：10.1038 / srep06231

圖像：NIAZ ABDOLRAHIM和JOSE-LUIS OLIVARES / MIT