新型显微镜揭开了先进材料中隐藏的原子结构

悉尼大学的研究人员开发了一种新的显微镜方法，使用原子探针断层扫描来探索材料的原子水平变化，有望在材料科学和工程方面取得重大进展。

一种新的显微镜技术使研究人员能够观察晶体材料原子结构的微小变化，例如造船中使用的先进钢和电子产品的定制硅。这种方法有可能增强我们对材料性质和行为的基本起源的理解。

​在《自然材料》杂志上发表的一篇论文中，悉尼大学航空航天、机械和机电工程学院的研究人员介绍了一种解码材料内部原子关系的新方法。

​这一突破将有助于开发用于航空航天工业的更坚固、更轻的合金，用于电子产品的新一代半导体，以及用于电动机的改进磁铁。它还可以创造出可持续、高效和具有成本效益的产品。

​原子探针断层扫描的先进技术

​这项研究由悉尼大学副校长（研究基础设施）西蒙·林格（Simon Ringer）教授领导，利用原子探针断层扫描（APT）的力量来解开复杂的短程有序（SRO）。SRO过程是理解局部原子环境的关键，这对于开发创新材料至关重要，可以支撑新一代合金和半导体。

​SRO有时被比作“材料基因组”，即晶体中原子的排列或配置。这一点很重要，因为不同的局部原子排列会影响材料的电子、磁性、机械、光学和其他特性，从而影响到一系列产品的安全性和功能性。

​到目前为止，SRO一直是研究人员测量和量化的挑战，因为原子排列发生在很小的尺度上，用传统的显微镜技术很难看到。

​由林格教授的团队开发的使用APT的新方法克服了这些挑战，为材料科学的进步铺平了道路，这可能对船体钢材和一系列行业的电子产品定制硅产生深远的影响。

​“我们的研究在材料科学方面取得了重大突破，”林格教授说，他是航空航天、机械和机电工程学院（AMME）的材料工程师。

​“除了晶体结构和对称性，我们想知道更多关于晶体内部原子尺度的邻域关系 —— 它们是随机的，还是非随机的？如果是后者，我们想量化它。SRO为我们提供了详细的信息，为定制设计的材料开辟了广阔的可能性，原子对原子，具有特定的邻域排列，以实现所需的性能，如强度。”

​研究的重点是高熵合金，这是有前景的各种先进的工程应用。

​启示与未来研究

​林格教授说：“这些合金是全球范围内大量研究的对象，因为人们对将它们用于需要高温强度的场合很感兴趣，比如喷气发动机和发电厂，以及核反应堆中的中子辐射屏蔽，这些地方需要防止辐射损伤。”

​该团队使用了先进的数据科学技术，利用APT的数据，这是一种复杂的成像技术，可以在3D中可视化原子，允许团队观察和测量SRO，比较它在不同加工条件下在合金中的变化。

​该研究着重于对钴铬镍高熵合金的观察，揭示了不同热处理方式如何改变SRO。

​“这为SRO控制关键材料特性的未来研究提供了一个模板。在分析SRO的各个方面还有很多工作要做 —— 这是一个难题，但这是向前迈出的重要一步，”林格教授说。

​航天机械与机电工程学院博士后何孟伟（音译）博士说：​“测量和理解短程有序的能力改变了我们的材料设计方法。它为我们提供了一种新的视角，让我们看到原子级结构的微小变化如何导致材料性能的巨大飞跃。”

​至关重要的是，该研究增强了研究人员计算模拟、建模和最终预测材料行为的能力，因为SRO提供了详细的原子尺度蓝图。

高级博士后安德鲁·布林博士说：“我们已经证明，在某些情况下，SRO确实可以用原子探针断层扫描来测量。我们不仅开创了测量SRO的实验方法和计算框架，而且还进行了灵敏度分析，限定了测量有效和无效的精确范围。”

​威尔·戴维斯博士与林格教授一起完成了博士学位，目前在工程公司Infravue工作，他说：“这是一个令人兴奋的进步，因为我们已经证明了SRO测量在多组分合金中是可能的，这无疑将有利于材料科学和工程界。社区现在想要学习如何进一步扩大SRO的可测量制度，所以，这个研究领域的一个巨大空间才刚刚打开。”

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