許多工程材料含有兩相或更多相，從而改善其特性和性能。這些兩相材料的微觀結構中通常會嵌入包裹體（稱為析出物）。合金是兩種或更多種金屬的組合，適合多種應用，如汽車中使用的輕量化合金。受益于嵌入的析出物，合金具有很好的機械性能。然而，平均析出物的大小往往會隨著時間的推移而增加（這一過程被稱為粗化），導致具有納米級析出物的微結構性能下降。
（圖片來源：伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校）
據外媒報道，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的研究人員發現了一種穩定合金中納米級析出物的新途徑。
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在一項新的研究中，材料科學與工程教授Pascal Bellon、博士后研究員Gabriel Bouobda Moladje及其合作者表明，通過非平衡過程可以阻止析出物粗化，從而產生穩定的納米結構。
Bellon表示：“在過去的二十年里，研究人員已經意識到，結構中擁有納米級的包裹體，實際上對材料非常有利。挑戰在于，這些小顆粒自發地想要變大?！?/p>
把這想象成做意大利面：當在沸水中加入油時，剛加入和攪拌時油滴可能很小，如果停止攪拌，油滴就會結合在一起形成更大的油滴。這就是粗化過程。Bellon表示：“如果我們對小尺度物體的分布感興趣，必須與物體變粗的自然趨勢作斗爭?！?/p>
該團隊使用計算模型來探討受到輻照（一種非平衡力）時在材料不同晶體之間的域（稱為晶界）形成的析出物。在平衡環境中，力是平衡的，并且材料不會出現凈變化。然而，在大多數應用中，硬質材料會受到非平衡力的作用，例如輻照，甚至是攪拌。因此，了解析出物在這種非平衡環境中如何演化非常重要。
Bellon表示：“我們對受到高能粒子輻照的合金特別感興趣，如用于核應用的材料。用于太空的材料也是如此，會受到宇宙射線的轟擊。這項研究專門探討一種鋁和銻的模型合金。”
在鋁和銻的合金中，銻會形成析出物，如同油在水中形成油滴。研究人員發現，如同預期，當受到輻照時，在晶界處會形成析出物。然而，出乎意料的是，這些析出物不會粗化并繼續生長，而是在達到一定尺寸后停止，這被稱為抑制粗化行為。
這種方法可以應用于其他材料系統。在這些系統中，物種的傳輸起著重要作用，例如電池中電極之間的離子物種傳輸。在電池材料中，存在小析出物是有利的，因為大析出物會對材料產生很大的應力。在這種情況下，抑制粗化是有益的。
研究人員計劃對這些結果進行實驗驗證。Bellon表示：“我們很高興能將建模、理論和實驗結合起來，同時利用材料研究實驗室的所有工具，對計算機模擬預測值進行實驗測試。”