Магнитная кристаллодинамика

Металлы, керамику, полупроводники мы воспринимаем однородными. Но под электронным микроскопом они выглядят зернистыми. Их нанометровые кристаллические зерна разделены стенками дефектов. И именно форма зерен, то есть геометрия дефектных стенок, определяет проводимость и механические свойства поликристаллического материала. Если к нему приложить внешнюю механическую нагрузку, то межзеренные границы будут изменять свою геометрию, даже станут формироваться заново или исчезать. Эти процессы во многом еще не поняты и зачастую не формализованы.

Исследователи Университета Райса под руководством профессора химической и биомолекулярной инженерии Сибани Лизы Бисвал (Sibani Lisa Biswal) моделируют атомарные явления с помощью коллоидных парамагнитных частиц во вращающемся магнитном поле. В последних экспериментах частицы полистирола, покрытые оксидом железа, образовывали двумерные поликристаллические структуры. В предыдущей работе группы было показано, что это отличный способ визуализировать фазовые переходы на атомных масштабах, так как взаимодействия между коллоидными частицами описываются уравнениями, подобными уравнениям для поликристаллов, а сами коллоидные частицы собираются в аналогичные поликристаллическим зернам кластеры.

Циркуляция частиц на границах кластеров вызывает сдвиговые напряжения внутри них. Оказалось, что модель поликристаллической структуры может включать и пустые области. Эти пустоты действуют как источники и стоки частиц при движениях границ кластеров, а механические напряжения на границе кластера и пустоты могут заставлять изменяться геометрическую структуру кластерного поликристалла. Таким образом, эксперимент показал, что газовая и твердая фазы в поликристаллах вполне сосуществуют друг с другом.

Ученые выяснили, что их модельная система подчиняется теории конденсированного вещества Шокли-Рида. Эта теория, появившаяся в середине прошлого века, на основе расстояний между дефектами правильно предсказывает углы разориентации зерен в поликристаллах и энергии так называемых малоугловых границ между зернами.

Подход ученых позволит инженерам разрабатывать новейшие материалы и улучшать свойства старых за счет управления границами поликристаллических зерен. Следующим шагом исследователей станет изучение поведения их модельной системы при отжиге, то есть в процессе многократных нагреваний и охлаждений, которые обычно используют для устранения дефектов в кристаллах. (Science Advances, 8, 22, 2022)