MIT科学家发现金属隐藏原子结构秘密

麻省理工学院（MIT）的科学家近日发现，金属内部隐藏着一种此前被认为会在加工过程中消失的原子排列模式。这一发现揭示了金属材料中一种全新的物理机制，或将为定制高性能材料开启新的篇章。通过对微观层面的缺陷进行研究，研究团队指出，这些化学模式不仅能够保留下来，还可以通过工程手段加以利用，以提升金属在极端环境下的表现，例如在航空航天、半导体和核工业中的应用。

长期以来，科学家们认识到合金内部可能形成微小的化学模式，但传统观点认为，这些模式在工业加工过程中会被破坏，变得无序。然而，麻省理工学院（MIT）的最新研究颠覆了这一认知。在实验和模拟研究中，研究人员发现，即使经过熔化、轧制、加热等极端制造条件，这些化学排列仍然会以亚稳态形式保留。

这项研究由麻省理工学院材料科学与工程系的TDK助理教授罗德里戈·弗雷塔斯（Rodrigo Freitas）领导，研究结果近日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。他和团队通过先进的机器学习技术模拟了数百万原子的运动，发现金属在加工中的“非平衡化学短程有序状态”能够持续存在。这些模式不仅不会完全随机化，反而在制造过程中逐渐形成特定的稳定结构。

“无论如何加工，你都无法完全随机化金属中的原子排列。”弗雷塔斯解释道，“这证明了长期以来被忽视的一种新型物理现象，让我们看到了优化材料性能的新可能性。”

研究团队进一步使用高精度计算模型对原子之间的相互作用进行测量。通过分子动力学模拟，他们追踪了金属在变形、加热等过程中的原子重组动态。令人惊讶的是，即使在高温和剧烈挤压的极端条件下，完全随机的状态从未出现。事实上，新的化学模式甚至会在高温条件下生成。

研究发现，造成这一现象的核心在于金属内部的“位错”——一种三维的原子晶格畸变结构。位错的运动在加工过程中引导了原子的排列，优先打破较弱化学键，形成更有利的原子交换路径。此前，科学家认为这些缺陷会破坏化学秩序，但MIT的团队发现，位错不仅没有消除原子有序性，反而是形成这些化学结构的驱动因素。

“位错的化学偏好决定了它们的运动方式，”弗雷塔斯表示，“它们选择低能路径，这完全颠覆了传统制造中的随机化假设。”

这项发现对材料设计和制造具有划时代的意义。通过理解这些化学模式的生成机制，科学家们能够绘制出金属加工步骤与化学模式之间的关联地图。这一研究不仅具有理论意义，也为工程实际提供了新的设计思路。例如，调整原子的微观排列可以提高材料的强度和耐辐射性，同时保持低密度这一特性，这对航空航天领域尤为关键。

“These chemical patterns potentially impact the catalytic properties, thermal resistance, and even radiation resistance of metals,” Freitas added, “Optimizing the performance of these materials is particularly critical, especially in extreme environments like nuclear reactors.”

研究团队指出，这项研究标志着从基础科学探究到实际应用的转变。随着先进制造技术的普及，了解金属在变形和混合过程中的原子行为正日益成为开发特种合金的关键。

这项研究得到了美国空军科学研究办公室（USAFOSR）“青年科学家计划”的资助，并由MathWorks公司和MIT-葡萄牙项目提供支持。弗雷塔斯表示，多年来这一研究方向因难度高且结论不确定性大而受到质疑，但正是团队的坚持不懈和突破常规的思考，才得以取得如此非凡成果。

“我最喜欢的部分是这些不直观的发现，”他说，“没有人能想到原子间的完全混合不可能实现，而这一认知不仅让我们重新思考金属材料的制造过程，也启发了全新的理论构建。”