Учёные впервые визуализировали фазовые переходы кристаллов на уровне отдельных частиц

Автор: Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2507403122

Тайна закалки стали и «запоминания формы» сплавами скрыта в быстрых атомарных изменениях, которые учёные долгое время не могли наблюдать в материалах. Теперь исследователи из Корнеллского университета раскрывают механизмы этих превращений на уровне отдельных частиц с помощью передовых методов моделирования.

Используя специально разработанные компьютерные симуляции, Юлия Дшемучадзе, доцент кафедры материаловедения Корнеллского университета, и Хиллари Пан, доктор наук, визуализировали твёрдо-твёрдые фазовые переходы с беспрецедентной детализацией, отслеживая движение каждой частицы в теоретическом материале при изменении его кристаллической структуры.

Их исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, выявило не только классические механизмы трансформации, но и совершенно новые, меняющие представления учёных об этом фундаментальном процессе.

«Большинство предыдущих исследований либо описывают начальную и конечную стадии превращений, либо рассматривают их с теоретической точки зрения», — поясняет Дшемучадзе. «Наше компьютерное моделирование впервые заполняет пробел между этими подходами. Мы напрямую симулируем превращения и можем отслеживать, как одна структура образуется из другой, частица за частицей».

Учёные сосредоточились на переходах между двумя наиболее распространёнными кристаллическими структурами: гранецентрированной кубической и объёмноцентрированной кубической упаковками сфер. Эти структуры встречаются в самых разных материалах — от мягких веществ вроде пластиков до твёрдых металлов вроде железа и стали, где такие превращения играют ключевую роль в промышленных процессах типа закалки.

«Не существует камеры, достаточно быстрой, чтобы зафиксировать нужное разрешение для понимания происходящего между фазами», — отмечает Пан. «А методы рентгеновской дифракции дают ограниченную информацию о ходе трансформации».

Начиная с малых симуляций около 4000 частиц и увеличивая масштаб до более чем 100 000 частиц, исследователи создали модели для изучения общих закономерностей превращений. Это позволило им охарактеризовать несколько путей трансформации, включая три известных механизма для атомных систем: ориентационные соотношения Бейна, Курдюмова—Сакса и Нисиямы—Вассермана.

Симуляции выявили, что путь превращения зависит от микроструктуры материала и температуры, а также обнаружили стабильную промежуточную фазу при переходе от объёмноцентрированной к гранецентрированной кубической решётке.

Но самым неожиданным открытием стал совершенно новый механизм трансформации: частицы материала синхронно смещались в скоординированном многоуровневом сдвиговом движении, которое ранее не предсказывалось и не наблюдалось.

«Ключевой вывод: пути превращения нельзя чётко определить, просто сравнивая начальную и конечную конфигурации материала», — подчёркивает Дшемучадзе. «Это объясняет, почему исследователи испытывали трудности с классификацией таких переходов, не имея возможности наблюдать их в реальном времени».

Вместо этого пути трансформации связаны с формой взаимодействий между частицами. Эти открытия помогут экспериментаторам интерпретировать данные, предоставляя шаблоны для симуляции превращений, которые невозможно увидеть в реальных условиях.

«Лабораторные эксперименты можно спроектировать так, чтобы настроить взаимодействия частиц и воспроизвести наблюдаемые пути переходов», — добавляет Пан, отмечая, что предыдущие исследования указывали на роль гидродинамики в выборе пути превращения для мягких материалов.

Дополнительная информация: Hillary Pan et al, Kinetic pathways of solid–solid phase transitions dictated by short-range interactions, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2507403122

Источник: Cornell University

Интересный факт: Фазовые переходы в металлах играют ключевую роль в создании современных материалов с уникальными свойствами. Например, именно управление этими процессами позволяет создавать «умные» сплавы с памятью формы, используемые в медицине для стентов и в аэрокосмической промышленности.