粒界の軽元素を観察: 原子スケールに至るまでの材料特性を明らかにする

2023 年 8 月 1 日

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マックス・プランク協会著

先進的な材料を開発するには、その基礎となる微細構造と化学についての深い理解が必要です。 欠陥は腐食や亀裂の発生による材料の破損の入り口となるため、欠陥が微細構造と化学組成の間の相互作用にどのような影響を与えるかを知ることは非常に重要です。

マックス・プランク・アイゼンフォルシュング研究所（MPIE）の科学者たちは現在、鋼の粒界として知られる二次元欠陥を分析および解釈するためのワークフローとコードを開発した。 彼らは、材料の最小の構造階層レベルである特定の規則正しい原子モチーフが、粒界の最も重要な化学的特性を支配していることを特定しました。 これらの原子モチーフをエンジニアリングすることで、より耐久性のあるオーダーメイドの素材への道が開かれます。 MPIE の研究者たちは、その結果を Nature Communications 誌に発表しました。

「粒界を原子スケールまで分析する際の主な 2 つの課題は、第一に、材料の特性に対する各パラメーターの影響を理解するために、膨大な量のパラメーターを制御する必要があることです。第二に、軽元素を光で観察することが難しいことです。」透過型電子顕微鏡」と、この出版物の筆頭著者であり、MPIE のアトムプローブ断層撮影グループの副責任者である Xuyang Zhou 博士は説明します。

「私たちは、結晶方位は同じだが粒界面が変化する鉄-ホウ素-炭素合金の双結晶を成長させることを含む、透過型電子顕微鏡用のワークフローとコードを開発しました。このようにして、干渉パラメーターを制御することができました。データを解釈するには「私は鉄の粒界でホウ素や炭素などの軽元素を観察するのに役立つコードを開発しました。実際、鉄のような重金属の粒界で軽元素を観察することができたのはこれが初めてです。」

研究者らは、同じ方位ずれを伴う粒界面の単なる傾きでさえ、微細構造の化学組成と原子配列に影響を与え、材料が多かれ少なかれ破損しやすくなることを示しました。

「これまで、鋼の粒界の原子モチーフにある軽元素と重元素を画像化することはできませんでした。特に、規則的な原子構造のオープンスペース、いわゆる格子間サイトが、粒界における軽元素の溶解度を決定します。」これにより、将来的には、粒界の化学状態をターゲットに設計し不動態化し、腐食、水素脆化、または機械的故障の入り口としての役割から解放することが可能になります」と、この出版物の共著者であるゲルハルト・デーム教授は説明します。 MPIE 構造および材料のナノ/マイクロメカニクス部門のディレクター。

科学者らはまた、機械学習を使用して、アトムプローブトモグラフィーを通じて得られたデータの粒界組成を分析しました。 トモグラフィーは、さまざまな元素が粒界にどのように分布しているかを示し、構造と組成の相関関係の統計分析を行う可能性を提供します。

研究チームは現在、MPIEの計算材料設計部門と協力して、開発されたコードと実験データを使用して、ホウ素、炭素、水素などの軽元素が材料中でどのように動作するかをシミュレーションしている。

さらに、Zhou 氏らは、変化する外部条件下での粒界挙動をさらに分析するために、透過型電子顕微鏡でのその場加熱および引張試験のセットアップを開発中です。 この研究は、原子スケールの構造特性に基づいて粒界の化学的性質を理解するための直接的な実験的証拠を提供します。