Des chercheurs en science des matériaux ont développé un modèle qui peut expliquer les irrégularités dans la façon dont les atomes s'organisent au niveau des "joints de grains" - l'interface où deux matériaux se rencontrent. En décrivant le tassement des atomes à ces interfaces, l'outil peut être utilisé pour aider les chercheurs à déterminer comment les joints de grains affectent les propriétés des alliages métalliques et d'autres matériaux.

"Nous savons que ces joints de grains influencent les caractéristiques des matériaux depuis de nombreuses décennies, " dit Srikanth Patala, auteur correspondant d'un article sur le travail et professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à la NC State University. "Mais il a été extrêmement difficile de comprendre à quoi ressemblent ces défauts au niveau atomique et, donc, comprendre comment ces irrégularités structurelles affectent la résistance d'un matériau, raideur, ductilité et ainsi de suite.

« Maintenant, nous avons un outil qui nous permet de voir et de comprendre à quoi ressemblent réellement ces structures atomiques désordonnées - et c'est un grand pas pour comprendre exactement ce qui se passe, " dit Patala.

La plupart des matériaux ont une structure atomique particulière assez régulière. Par exemple, l'aluminium a une structure cubique, avec des atomes qui s'alignent en longues chaînes de cubes, alors que le titane se forme en ce qui est essentiellement des piles d'hexagones. Mais quand deux matériaux se rencontrent, comme dans un alliage métallique, ces bien rangés, les structures organisées se heurtent, créant le joint de grain désordonné.

Le modèle développé dans le groupe de recherche de Patala trouve des formes tridimensionnelles irrégulières à l'intérieur du joint de grain, les classe, puis identifie les modèles de ces formes irrégulières.

"Les progrès de la microscopie peuvent nous aider à capturer des images de la façon dont les atomes sont disposés dans un joint de grain, mais alors nous ne savons pas vraiment ce que nous regardons - vous pouvez relier les points comme vous le souhaitez, " dit Patala. "Notre outil aide à discerner des motifs de caractéristiques géométriques dans un paysage atomique qui peut sembler chaotique.

« Maintenant que ces modèles peuvent être identifiés, la prochaine étape consiste pour les chercheurs en informatique - comme moi - à travailler avec des chercheurs expérimentaux pour déterminer comment ces modèles affectent les propriétés d'un matériau, " dit Patala.

Une fois l'effet des motifs bien compris, ces informations peuvent être utilisées pour mieux identifier les forces et les faiblesses de types de joints de grains spécifiques, accélérer le développement de nouveaux alliages ou d'autres matériaux.

L'outil, appelé modèle unitaire polyédrique, peut être utilisé pour modéliser les joints de grains de tout matériau dans lequel l'attraction entre les atomes est régie uniquement par la distance entre les atomes, tels que les métaux et les solides ioniques - y compris certaines céramiques. Cependant, l'approche ne fonctionne pas pour les matériaux, comme le carbone, qui forment des obligations dites directionnelles.

"Nous travaillons actuellement à rendre le modèle d'unité polyédrique accessible au public via un logiciel open source, " dit Patala. " Nous prévoyons de le sortir d'ici la fin de l'année, et j'espère plus tôt."

Le papier, "Un modèle d'unité polyédrique tridimensionnel pour la structure de frontière de grain dans les métaux fcc, " est publié dans la revue Nature Matériaux de calcul npj .