MIT科学家通过改变材料内部结构控制材料的性能

——材料内部接口能够被图案化为一种控制复合材料性质的方式。

固体材料错综复杂表面的接口，内部结构（左图所示）。为了控制结构，使用特定应用程序来研究模型简化方法（右图所示）。

图片提供：Niaz Abdolrahim和Jose-Luis Olivares/麻省理工学院

图案化表面开始流行，研究人员试图寻找材料表面疏水或粘附在其他东西上，或修改其电子特性。

现在麻省理工学院的材料科学家已经添加了一个新的褶皱来研究表面的图案结构：虽然大多数研究都集中在材料的外表面图案，Michael Demkowicz 和他在麻省理工学院材料科学与工程系（DMSE）的团队已经开始探索图案表面材料更深的影响——特别是在晶体材料层之间的接口。

他们的研究结果，发表在《科学报告》杂志上，展示了这种内部模式的控制会导致最终的材料性能产生显著的改善。

Demkowicz解释说，许多研究旨在创建需要一定的强度，灵活性，或抗振动、温度变化、或辐射的分层复合材料。但实际上控制的两种材料表面成为复合材料是一个艰难的过程。

“人们不认为它们是表面，”DMSE的副教授Demkowicz说，“如果他们这样做，他们认为它是一个均匀的表面，但事实证明，大多数接口不均匀。”

Demkowicz说，为了控制这些材料的性质，有必要理解和指向这些非均匀接口。他和他的团队已经使用经典方程来描述表面的平均属性并且适应他们，而不是描述这些表面的变化，他说：“通过位置来定位。做实验并不容易，但我们可以直接在我们的计算机模拟。”

他说，这种方法通过模拟，然后控制，并观察缺陷或变化是如何分布在这些可以用于一系列应用程序的接口。例如，在材料上使用内墙聚变反应堆，这种图形结构对极端条件下耐久性有很大影响。

金属墙在这些反应堆中被阿尔法粒子-氦原子的原子核轰炸，由于聚变反应，这些粒子嵌入并形成微小的氦气泡，随着时间的推移可以削弱材料和导致它断裂。

Demkowicz说：“这是最极端的极端环境。”但通过控制材料图形结构，气泡排成列，形成一个通道，氦可以简单分散材料而不是积累。他说，“如果我们成功地这样做，产生氦逃跑的路径，它可以是巨大的。”

Demkowicz补充道：“通过利用内部结构作为模板，类似于人们如何处理表面，我们可以使气泡形成通道。”他说，同样的原理在其他应用上也可以应用工程材料属性，例如控制声子（热或声音的振动）穿过一个晶体结构，这可能是重要的热电装置的生产过程。同样，创建通道内扩散材料有助于提高设备的效率，如锂离子电池和燃料电池。

Demkowicz说：“材料的力学性能也取决于其内部结构，因此可以通过控制这些接口使其变强变弱。”而通常设计材料的强度，可以应用在“你想要的材料，比较容易瓦解的缝隙处。”

David L. McDowell，乔治亚理工学院材料研究所的执行主任，并没有参与这项工作。他说它“是令人激动的，因为它利用扩展的缺陷影响和调整材料接口的性能和响应，提供了一个实用的降阶策略。这些类型的高通量的高级接口设计，是实现美国材料基因组计划愿景的一个关键组成部分，开发新的和改进的材料能节约一半的时间和成本。”

该研究小组还包括博士后Aurelien Vattre（现在法国原子能和替代能源委员会），Niaz Abdolrahim，和Kedarnath Kolluri。

这项工作是由美国能源部和国家科学基金会赞助。

原文链接：http://newsoffice.mit.edu/2014/hidden-surface-patterns-better-materials-0829

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