麻省理工突破性发现颠覆金属制造理论：原子永远无法完全随机化

今日新闻 2025年10月10日 01:27 0 aa

信息来源：https://news.mit.edu/2025/uncovering-new-physics-metals-manufacturing-1008

麻省理工学院研究人员的一项突破性发现正在重新定义人们对金属制造的理解。他们证实了一个令人震惊的事实：无论采用何种加工工艺，金属中的原子永远无法达到完全随机状态。这一发现不仅推翻了金属学领域几十年来的传统认知，更揭示了一种全新的物理现象，可能彻底改变从航空航天到核反应堆等关键领域的材料设计方法。

发表在《自然通讯》期刊上的这项研究表明，即使在最极端的制造条件下，金属合金中仍会保持微妙而持久的化学模式。这些被称为"短程有序"的原子排列不仅在传统制造过程中得以保存，还会形成前所未见的"远非平衡态"化学结构。

"结论很明确：你永远无法完全随机化金属中的原子，无论如何处理都不行，"TDK材料科学与工程系助理教授罗德里戈·弗雷塔斯表示。这一发现挑战了材料科学的基本假设，即在剧烈的制造过程中，原子会被彻底"洗牌"从而消除所有有序结构。

意外发现引发理论革命

研究团队最初只是想解决一个实际问题：金属加工过程中化学元素的混合速度。传统理论认为，在制造过程中经过充分混合后，金属的化学成分会变得完全均匀。研究人员希望通过找到这一混合临界点，开发一种简单的方法来设计具有不同原子有序度的合金。

然而，当他们使用机器学习技术跟踪数百万个原子在模拟金属加工条件下的移动和重新排列时，结果却出乎意料。"我们做的第一件事就是使一块金属变形，"弗雷塔斯解释道。"这是制造过程中的常见步骤：滚压金属使其变形，然后加热并再次变形，直到形成所需的结构。我们跟踪了化学有序度的变化。"

研究团队原本预期，当材料变形时化学键会断裂，系统会趋于随机化。这些激烈的制造过程本质上是对原子进行洗牌。但令人惊讶的是，合金从未达到完全随机状态，而是在混合过程中遇到了一个无法逾越的障碍。

为了揭示这一现象背后的物理机制，研究人员开发了包括高保真机器学习模型在内的计算工具，以捕捉原子相互作用，同时创建了新的统计方法来量化化学有序度随时间的变化。通过将这些工具应用于大规模分子动力学模拟，他们得以跟踪原子在加工过程中如何重新排列。

研究结果显示，在加工后的金属中存在一些标准的化学排列，但温度高于通常预期。更令人惊讶的是，他们发现了在制造过程之外从未观察到的全新化学模式，这是首次观察到这种现象。

位错机制的革命性理解

研究团队构建了一个简单而有效的模型来解释这些发现。该模型揭示了化学模式是如何由称为位错的缺陷产生的。位错就像金属内部的三维涂鸦，当金属变形时，这些"涂鸦"会扭曲并沿途重新排列附近的原子。

此前，研究人员认为这种洗牌会完全消除金属中的有序结构，但新发现表明位错具有化学偏好性，它们倾向于某些原子交换而非其他交换，结果产生的不是随机性，而是形成了微妙的化学模式。

"这些缺陷具有指导其移动的化学偏好，"弗雷塔斯说。"它们寻找低能路径，因此如果需要在破坏不同化学键之间做出选择，它们往往会破坏最弱的键，这个过程并非完全随机。"

这种现象被研究人员称为"远非平衡态"，它不是材料中自然存在的状态，而是由内部无序化趋势与某些化学键总是比其他键更弱的有序趋势之间的平衡所维持的动态状态。就像人体维持稳态平衡以维持生命一样，金属中也存在类似的平衡机制。

产业应用的广阔前景

这一发现的影响远远超出了学术研究范畴。研究人员正在探索这些化学模式如何在各种制造条件下发展，结果将产生一张将各种金属加工步骤与金属中不同化学模式联系起来的"工艺图谱"。

迄今为止，这种化学有序度及其调节特性在很大程度上被认为是学术课题。有了这张图谱，工程师将能够开始将这些模式视为设计中的控制参数，在生产过程中调节这些参数以获得新的材料特性。

在催化领域，这一发现具有重要意义。电化学反应发生在金属表面，对局部原子排列极其敏感。通过精确控制这些原子排列，可以显著提高催化效率或选择性。

核工业也将从这一发现中受益。辐射损伤会影响材料在核反应堆中的性能表现，而对原子排列的精确控制可能提高材料的抗辐射能力，延长核反应堆组件的使用寿命。

航空航天领域对这一发现尤为关注。该行业需要极度优化的合金，对特定的成分配比有严格要求。先进制造技术使得组合通常不会通过变形混合的金属成为可能，而理解原子在这些过程中的实际洗牌和混合方式至关重要，因为这是在保持低密度的同时获得高强度的关键。

半导体工业也将受益于这一发现。随着器件尺寸不断缩小，原子级别的结构控制变得越来越重要。能够预测和控制金属中的化学模式将为开发下一代电子器件提供新的可能性。

研究团队由三名麻省理工学院博士生伊斯兰·马赫穆德、曹艺凡和谢里夫·基连作为共同第一作者完成。对于早期职业研究员弗雷塔斯来说，这些发现为探索一个拥挤的研究领域提供了突破口。他感谢美国空军科学研究办公室通过青年研究员计划对这项工作的支持。

"有一个问题是，我是否应该解决这个具体问题，因为人们已经为此工作了很长时间，"弗雷塔斯坦承。"但我对它了解得越多，就越看到研究人员在理想化的实验室场景中思考这个问题。我们希望进行尽可能逼真的模拟，以高保真度重现这些制造过程。"

这项基础研究向应用转化的速度令人惊讶。已经有研究人员告诉弗雷塔斯，这篇论文可以帮助解释关于金属特性的其他令人困惑的发现。随着该领域从基础研究向应用工作转移，这一发现有望在材料设计和制造领域产生深远影响。

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