Scientifiques et ingénieurs qui travaillent avec des matériaux – métaux, polymères, céramique, matériaux composites, et lunettes - sachez qu'à une certaine échelle, la capacité prédictive s'effondre au milieu des fluctuations connues sous le nom de "stochasticité". A l'échelle atomique par exemple, même le cristal le plus parfait a des fluctuations thermodynamiques, sous la forme de "défauts ponctuels" - atomes manquants du réseau cristallin. Dans un autre exemple, les atomes au sein d'un matériau d'alliage peuvent se répartir de plusieurs manières :un alliage en silicium germanium, peut être la moitié et la moitié de chaque élément dans son ensemble, mais avec les fluctuations stochastiques, le rapport dans lequel ces éléments se trouvent varie à différentes échelles de longueur dans tout le matériau.

Dans un article publié en Examens de physique appliquée , un groupe de chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute, en soulignant quatre causes sous-jacentes de ces fluctuations qui s'étendent sur les matériaux, soutiennent que la stochasticité est inhérente à tous les matériaux et mérite une plus grande exploration en tant que domaine d'étude.

« Nous proposons un nouveau cadre pour comprendre la stochasticité en tant que phénomène unificateur important entre les matériaux, " dit Robert Hull, le professeur d'ingénierie Henry Burlage et directeur du Rensselaer Center for Materials, Dispositifs, et systèmes intégrés, et auteur principal de l'article. « Il est possible d'avoir une vision plus large de la stochasticité - en étendant notre vision des observations individuelles basées sur une seule classe de matériaux à une perspective plus large à travers les matériaux - pour un meilleur contrôle à la fois sur les défis et les avantages potentiels qu'elle offre en science des matériaux et ingénierie."

Hull a été rejoint sur le papier par les collègues de Rensselaer Pawel Kelinski, professeur et responsable de la science et de l'ingénierie des matériaux; Dan Lewis, professeur agrégé en science et génie des matériaux; Antoinette Maniatty, professeur de mécanique, aérospatial, et génie nucléaire; Vincent Meunier, la chaire Jeffrey L. Kodosky '70 Career Development Constellation et chef de la physique, Physique appliquée, et l'astronomie; Assad A. Oberai, ancien doyen associé de l'École d'ingénieurs, maintenant à l'Université de Californie du Sud; Catalin Picu, chef associé mécanique, aérospatial, et génie nucléaire; Johnson Samuel, professeur agrégé de mécanique, aérospatial, et génie nucléaire; Mark S. Shephard, le professeur Elisabeth C. et Samuel A. Johnson '37 en ingénierie; Minoru Tomozawa, professeur de science et ingénierie des matériaux; Deepak Vashishth, directeur du Centre Rensselaer pour la biotechnologie et les études interdisciplinaires; et Shengbai Zhang, la chaire senior Gail et Jeffrey L. Kodosky '70 en physique, Informatique, et Entrepreneuriat.

Tous les matériaux présentent une stochasticité à une certaine échelle de temps ou de longueur, mais les scientifiques des matériaux affrontent généralement ces fluctuations au cas par cas, alors que les implications plus larges de la stochasticité restent sous-explorées, dit Hull.

"Le fait que la structure interne des matériaux à une certaine échelle de temps ou de longueur devienne non uniforme et non prévisible est un phénomène qui sous-tend presque tout ce que nous faisons, et pourtant nous n'avons que des informations parcellaires sur ses effets, " Hull a déclaré. "Nous pensons que la stochasticité des matériaux en tant que domaine d'étude distinct pourrait fournir des informations précieuses qui amélioreront notre capacité à comprendre et à manipuler les matériaux."

L'article passe en revue quatre « larges classes » de stochasticité dans les matériaux :les fluctuations thermodynamiques, fluctuations structurelles/compositionnelles, fluctuations cinétiques, et frustration/dégénérescence. Il prend également en compte les effets stochastiques résultant de l'imprécision des mesures et des incertitudes dans la modélisation et la simulation.

Fluctuations cinétiques, par exemple, sont des fluctuations temporelles dans le développement de la structure interne des matériaux (la "microstructure des matériaux"). Un exemple bien connu est celui de la métallurgie, où la chaleur et le stress sont utilisés pour modifier la structure interne des alliages métalliques tels que l'acier. Au niveau microscopique, acier, fait de fer et de carbone et d'autres éléments, forme localement des régions distinctes appelées "grains" et "phases". La distribution des grains et des phases et leurs tailles caractéristiques dépendent des fluctuations cinétiques pendant le traitement du matériau et affectent les propriétés techniques critiques telles que la résistance à la traction et la ductilité. L'histoire de la transformation de l'acier, couvrant des millénaires, est essentiellement une tentative d'utiliser la chaleur et le stress pour contrôler la taille des grains et la distribution des phases et donc optimiser ses propriétés.

Les fabricants d'acier sont aptes à appliquer des techniques spécifiques pour obtenir un produit cohérent, mais une compréhension plus précise des fluctuations cinétiques pourrait créer de nouvelles variantes prévisibles de la microstructure des matériaux avec des propriétés améliorées ou nouvelles. La recherche sur les trois autres classes de stochasticité des matériaux offre des promesses similaires.

Comme remède, les chercheurs proposent la stochasticité comme domaine d'étude et proposent également un cadre mathématique pour décrire la stochasticité des matériaux. Ce cadre, dit Hull, permet d'envisager la stochasticité sous une méthodologie unificatrice.

Finalement, les chercheurs perçoivent des avantages potentiels à exploiter la stochasticité. Typiquement, les fluctuations de la stochasticité sont considérées comme un défi à contrôler et à atténuer. Mais c'est possible, les chercheurs ont écrit, qu'une meilleure compréhension de la stochasticité révélera des situations dans lesquelles les fluctuations inhérentes des matériaux produisent de nouvelles propriétés des matériaux.

"La nature nous a donné un nombre fini d'éléments, et des façons de les combiner, " Hull a dit. " Peut-être, dans la stochasticité, nous pouvons trouver de nouveaux degrés de liberté au sein de l'ensemble matériel qui n'ont pas été reconnus auparavant."

« Stochasticité dans la structure des matériaux, Propriétés, et traitement—A review" paru dans l'édition de mars 2018 de Examens de physique appliquée .