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多尺度力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)室的Zhaoxuan Wu 和 William Curtin已經(jīng)解決了困擾科學(xué)界40多年的鎂延展性較低的問(wèn)題。

鎂是世界上發(fā)現(xiàn)的最輕的金屬，密度只有鋼的四分之一，也比鋁輕了三分之一。其儲(chǔ)量也非常豐富，是地球儲(chǔ)量第八的元素。這些特征使得其應(yīng)該是很多方面的理想材料，尤其是在汽車行業(yè)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)減輕重量可以有效提高效率。然而，關(guān)于這種材料的使用仍然是非常有限。“鎂的延展性很低，即其在斷裂前不能延展很大。其也具有不同尋常的行為，例如隨著溫度的升高，強(qiáng)度會(huì)增加，這也是和其他材料不一樣的地方。”Curtin教授說(shuō)。Curtin教授及其合作者Zhaoxuan Wu則認(rèn)為可以通過(guò)原子結(jié)構(gòu)等方面來(lái)研究鎂的延展性等性能。該研究發(fā)表在《自然》雜志上。

模擬仿真可解釋40余年的實(shí)驗(yàn)

Curtin說(shuō)，“我已經(jīng)從事鎂相關(guān)的研究有七年，我們也取得了一些成就，但是在最重要的問(wèn)題上，我曾想過(guò)要放棄，對(duì)于曾經(jīng)的努力也近乎絕望。然而Wu從新加坡過(guò)來(lái)加入了我們團(tuán)隊(duì)，帶來(lái)了可再生能源等一系列技術(shù)，以及更多的動(dòng)力。”經(jīng)過(guò)兩年多的努力，這個(gè)謎題終于有了突破性進(jìn)展，他們獲得了解釋數(shù)十年來(lái)實(shí)驗(yàn)的鑰匙。這一突破性進(jìn)展是建立在對(duì)鎂原子間不同的相互接觸機(jī)制上得到的。“我們獲得了一種很少被提及的關(guān)于鎂的描述，可很好地解釋很多鎂的性能，同時(shí)也能很好地預(yù)測(cè)很多鎂的特性。”更重要的是，這種機(jī)制也更好地預(yù)測(cè)一種非常重要的錯(cuò)位的結(jié)構(gòu)，即“c a”錯(cuò)位，這使得鎂原子層可以很輕易地流動(dòng)。而這種錯(cuò)位在之前則不能很好地被解釋和預(yù)測(cè)。

接下來(lái)就是見(jiàn)證奇跡的時(shí)刻了。“像往常一樣，我們對(duì)“c a”錯(cuò)位進(jìn)行了原子模擬，以便能更好地理解其行為，突然，奇妙的情況發(fā)生了。” “c a” 錯(cuò)位的這些原子結(jié)構(gòu)變得非常與眾不同，它們會(huì)形成幾種不同的幾何結(jié)構(gòu)，從而不能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。沒(méi)有了c a 錯(cuò)位，鎂就不能隨意流動(dòng)，因此延展性就差。這種c a結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到了，但是究竟是如何形成的，它們是否是真實(shí)存在還是實(shí)驗(yàn)異常，以及為什么會(huì)有幾種不同的結(jié)構(gòu)等都還是未解之謎。Wu和Curtin的工作表明，對(duì)于鎂來(lái)說(shuō)，這些都是其內(nèi)在本質(zhì)決定的，并且他們描述了不同結(jié)構(gòu)在不同情況下產(chǎn)生的原因，并且表明了這些結(jié)構(gòu)比理想的c a 結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。因此，他們發(fā)現(xiàn)形成這種新的c a 結(jié)構(gòu)是必不可免的，從而會(huì)降低鎂的延展性。 

獲得延展性較高的鎂的方法

“為了獲得可鍛造的鎂，我們必須和自然抗?fàn)帯?rdquo;Wu說(shuō)。如果科學(xué)上沒(méi)有辦法來(lái)阻止這種現(xiàn)象，那么仍然有辦法可以減緩其形成過(guò)程。在室溫下，這個(gè)過(guò)程會(huì)很快完成，但是在液氮溫度下，其過(guò)程的完成就需要數(shù)月甚至一年。如果該過(guò)程可以在常溫下延遲數(shù)秒，這對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)講就已經(jīng)足夠了。最近在德國(guó)的一些研究表明，通過(guò)加入稀土元素，可以增加鎂的延展性。但是稀土元素非常昂貴，因此不利于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。Curtin 和 Wu正開(kāi)始進(jìn)行新的研究，旨在利用一些較便宜的元素來(lái)增加材料的穩(wěn)定性。Curtin教授并不能確定鎂是否可以大規(guī)模應(yīng)用，但是他相信這種新的研究會(huì)產(chǎn)生新的想法和思路。