La ciencia de los materiales es un campo en el que Jason Trelewicz ha estado interesado desde que era un niño pequeño. cuando su padre, un ingeniero, lo llevaría a trabajar. En el laboratorio de materiales del lugar de trabajo de su padre, Trelewicz usaría microscopios ópticos para acercar las superficies de los materiales, intrigado por todas las características distintivas que vería a medida que la luz interactuaba con diferentes muestras.

Ahora, Trelewicz, profesor asistente en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas con un cargo conjunto en el Instituto de Ciencias Computacionales Avanzadas de la Universidad de Stony Brook e investigador principal del Laboratorio de Nanoestructuras Metálicas de Ingeniería, aprovecha la aumentos mucho más altos de microscopios electrónicos para ver pequeñas nanoestructuras con gran detalle y aprender qué sucede cuando se exponen al calor, radiación, y fuerzas mecánicas. En particular, Trelewicz está interesado en aleaciones metálicas nanoestructuradas (metales mezclados con otros elementos) que incorporan características de tamaño nanométrico en materiales clásicos para mejorar su rendimiento. La información recopilada de los estudios de microscopía electrónica lo ayuda a comprender las interacciones entre las características estructurales y químicas a nanoescala. Este conocimiento se puede emplear para ajustar las propiedades de los materiales para su uso en todo, desde componentes aeroespaciales y automotrices hasta electrónica de consumo y reactores nucleares.

Desde 2012, cuando llegó a la Universidad de Stony Brook, Trelewicz ha estado utilizando los microscopios electrónicos y el grupo de computación de alto rendimiento (HPC) en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias Científicas del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, para realizar su investigación.

"En el momento, Estaba buscando formas de aplicar mi idea de estabilizar nanoestructuras en metales a un problema orientado a aplicaciones, ", dijo Trelewicz." Hace mucho que me interesan las tecnologías de energía nuclear, inicialmente leyendo sobre la fusión en la escuela primaria. La idea de recrear los procesos responsables de la energía que recibimos del sol aquí en la tierra fue cautivadora, y alimentó mi interés por la energía nuclear a lo largo de toda mi carrera académica. Aunque todavía estamos muy lejos de un reactor de fusión que genera energía, un gran equipo internacional en un proyecto en construcción en Francia llamado ITER está trabajando para demostrar una reacción de fusión prolongada a gran escala ".

Materiales de revestimiento de plasma para reactores de fusión

La fusión nuclear, la reacción en la que chocan los núcleos atómicos, podría proporcionar un suministro casi ilimitado de energia limpia, como el producido naturalmente por el sol al fusionar núcleos de hidrógeno en átomos de helio. Aprovechar esta energía libre de carbono en los reactores requiere generar y mantener un plasma, un gas ionizado, a las muy altas temperaturas a las que se produce la fusión (unas seis veces más caliente que el núcleo del sol) mientras se confina mediante campos magnéticos. De los muchos desafíos que enfrentan actualmente las demostraciones de reactores de fusión, uno de particular interés para Trelewicz es la creación de materiales viables para construir un reactor.

"Los formidables desafíos de materiales para la fusión son donde vi una oportunidad para mi investigación:desarrollar materiales que puedan sobrevivir dentro del reactor de fusión, donde el plasma generará altos flujos de calor, altas tensiones térmicas, y altos flujos de partículas y neutrones, ", dijo Trelewicz." Las condiciones operativas en este entorno se encuentran entre las más duras en las que uno podría esperar que funcione un material ".

Un candidato principal para este "material de revestimiento de plasma" es el tungsteno, debido a su alto punto de fusión, el más alto entre los metales en forma pura, y bajo rendimiento de pulverización catódica (número de átomos expulsados ​​por iones energéticos del plasma). Sin embargo, la estabilidad del tungsteno frente a la recristalización, resistencia a la oxidación, tolerancia a la radiación a largo plazo, y el rendimiento mecánico son problemáticos.

Trelewicz cree que diseñar aleaciones de tungsteno con nanoestructuras diseñadas con precisión podría ser una forma de superar estos problemas. En agosto, recibió $ 750, 000 premio de cinco años del Programa de Investigación de Carrera Temprana del DOE para desarrollar aleaciones de tungsteno nanocristalinas estables que puedan soportar el exigente entorno de un reactor de fusión. Su investigación combina simulaciones que modelan interacciones atómicas y experimentos que involucran exposición a irradiación de iones en tiempo real y pruebas mecánicas para comprender los mecanismos fundamentales responsables de la estabilidad térmica de las aleaciones. tolerancia a la radiación y rendimiento mecánico. Los conocimientos de esta investigación informarán el diseño de aleaciones más resistentes para aplicaciones de fusión.

Además de los recursos computacionales que utilizan en su institución de origen, Trelewicz y su grupo de laboratorio están utilizando el grupo de HPC en el CFN, y los de otras instalaciones del DOE, como Titan en Oak Ridge Leadership Computing Facility (una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge), para realizar simulaciones atomísticas a gran escala como parte del proyecto.

"Las escalas de longitud de las estructuras que queremos diseñar en nuestros materiales son del orden de unos pocos nanómetros a 100 nanómetros, y una sola simulación puede involucrar hasta 10 millones de átomos, ", dijo Trelewicz." Usando clústeres de HPC, podemos construir un sistema átomo por átomo, representativo de la estructura que nos gustaría explorar experimentalmente, y ejecutar simulaciones para estudiar la respuesta de ese sistema ante diversos estímulos externos. Por ejemplo, podemos disparar un átomo de alta energía al sistema y observar lo que le sucede al material y cómo evoluciona, cientos o miles de veces. Una vez que el daño se haya acumulado en la estructura, podemos simular fuerzas térmicas y mecánicas para comprender cómo la estructura del defecto impacta en otros comportamientos ".

Estas simulaciones informan las estructuras y químicas de las aleaciones experimentales, que Trelewicz y sus estudiantes fabrican en la Universidad de Stony Brook mediante molienda de alta energía. Para caracterizar la estructura a nanoescala y la distribución química de las aleaciones de ingeniería, utilizan ampliamente las instalaciones de microscopía en el CFN, incluidos los microscopios electrónicos de barrido, microscopios electrónicos de transmisión, y microscopios electrónicos de transmisión de barrido. Las imágenes se realizan a alta resolución y, a menudo, se combinan con calentamiento dentro del microscopio para examinar en tiempo real cómo evolucionan las estructuras con la temperatura. Los experimentos también se llevan a cabo en otros laboratorios nacionales del DOE, como Sandia a través de la colaboración con el científico de materiales Khalid Hattar del Ion Beam Laboratory. Aquí, los estudiantes del grupo de investigación de Trelewicz irradian simultáneamente las aleaciones de ingeniería con un haz de iones y las fotografían con un microscopio electrónico en el transcurso de muchos días.

"Aunque este daño no se compara con lo que experimentaría el material en un reactor, proporciona un punto de partida para evaluar si el material de ingeniería podría abordar algunas de las limitaciones del tungsteno para aplicaciones de fusión, "dijo Trelewicz.

La microscopía electrónica en el CFN ha jugado un papel clave en un descubrimiento emocionante que los estudiantes de Trelewicz hicieron recientemente:una transición de fase inesperada de metaestable a estable en películas delgadas de tungsteno nanoestructurado. Esta transición de fase impulsa un proceso de crecimiento anormal del "grano" en el que algunas características de la nanoestructura cristalina crecen de manera muy espectacular a expensas de otras. Cuando los estudiantes agregaron cromo y titanio al tungsteno, esta fase metaestable se eliminó por completo, a su vez mejorando la estabilidad térmica del material.

"Uno de los grandes aspectos de tener componentes tanto experimentales como computacionales en nuestra investigación es que cuando aprendemos cosas nuevas de nuestros experimentos, podemos volver atrás y adaptar las simulaciones para reflejar con mayor precisión los materiales reales, "dijo Trelewicz.

Otros proyectos del grupo de investigación de Trelewicz

La investigación con tungsteno es solo uno de los muchos proyectos en curso en el Laboratorio de Nanoestructuras Metálicas de Ingeniería.

"Todos nuestros proyectos se enmarcan en el desarrollo de nuevas aleaciones metálicas con propiedades mejoradas y / o multifuncionales, ", dijo Trelewicz." Estamos buscando diferentes estrategias para optimizar el rendimiento del material adaptando colectivamente la química y la microestructura de nuestros materiales. Gran parte de la ciencia radica en comprender los mecanismos a nanoescala que gobiernan las propiedades que medimos a macroescala ".

A través de un premio CAREER (Programa de desarrollo profesional temprano de la facultad) de la Fundación Nacional de Ciencias, Trelewicz y su grupo de investigación están explorando otra clase de aleaciones de alta resistencia:metales amorfos, o "vidrios metálicos, "que son metales que tienen una estructura atómica desordenada similar al vidrio. En comparación con los metales comunes, Los vidrios metálicos son a menudo inherentemente más resistentes, pero suelen ser muy frágiles. y es difícil hacerlos en partes grandes, como láminas a granel. El equipo de Trelewicz está diseñando interfaces y transformándolas en vidrios metálicos, inicialmente a base de hierro y luego a base de circonio, para mejorar la tenacidad de los materiales. y explorar los procesos de fabricación aditiva para permitir la producción de chapa. Utilizarán la instalación de nanofabricación en el CFN para fabricar películas delgadas de estos vidrios metálicos diseñados con interfaz para análisis in situ utilizando técnicas de microscopía electrónica.

En un proyecto similar, buscan comprender cómo la introducción de una fase cristalina en una aleación amorfa a base de circonio para formar un compuesto de matriz de vidrio metálico (compuesto de fases amorfa y cristalina) aumenta el proceso de deformación en relación con el de los vidrios metálicos normales. Los vidrios metálicos suelen fallar catastróficamente porque la deformación se localiza en bandas de cizallamiento. La introducción de regiones cristalinas en los vidrios metálicos podría inhibir el proceso por el cual la deformación se localiza en el material. Ya han demostrado que la presencia de la fase cristalina altera fundamentalmente el mecanismo a través del cual se forman las bandas de cizallamiento.

Trelewicz y su grupo también están explorando el comportamiento de deformación de los "nanolaminados" metálicos que consisten en capas cristalinas y amorfas alternas. y están tratando de acercarse al límite teórico de resistencia en aleaciones de aluminio livianas a través de estrategias de dopaje químico sinérgico (agregando otros elementos a un material para cambiar sus propiedades).

"Aprovechamos los recursos de la CFN para cada proyecto en curso en mi grupo de investigación, ", dijo Trelewicz." Usamos ampliamente las instalaciones de microscopía electrónica para observar la micro y nanoestructura del material, muy a menudo en cómo las interfaces se acoplan con las inhomogeneidades de composición, información que nos ayuda a estabilizar y diseñar redes interfaciales en aleaciones metálicas nanoestructuradas. El modelado y la simulación computacionales habilitados por los clústeres de HPC en el CFN informan lo que hacemos en nuestros experimentos ".

Más allá de su trabajo en CFN, Trelewicz colabora con sus colegas departamentales para caracterizar materiales en National Synchrotron Light Source II, otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven.

"Hay varias formas de caracterizar las inhomogeneidades estructurales y químicas, ", dijo Trelewicz." Observamos pequeñas cantidades de material a través de microscopios electrónicos en CFN y en un nivel más general en NSLS-II a través de técnicas como la difracción de rayos X y la sonda micro / nano. Combinamos esta información local y global para caracterizar a fondo un material y utilizamos esta información para optimizar sus propiedades ".

Futuro de los materiales de próxima generación

Cuando no está investigando, Trelewicz suele estar ocupado con el alcance de los estudiantes. Se conecta con los departamentos de tecnología de varias escuelas, proporcionándoles proyectos de diseño de ingeniería de materiales. Los estudiantes no solo participan en los aspectos de ingeniería del diseño de materiales, sino que también reciben capacitación sobre cómo utilizar impresoras 3-D y otras herramientas que son críticas en la sociedad actual para fabricar productos de manera más rentable y con mejor rendimiento.

Avanzando, Trelewicz quisiera ampliar sus colaboraciones en el CFN y ayudar a establecer su investigación en nanoestructuras metálicas como un área central apoyada por CFN y, por último, GAMA, para lograr propiedades inéditas en materiales clásicos.

"Poder aprender algo nuevo todos los días, utilizar ese conocimiento para tener un impacto en la sociedad, y ver a mis alumnos llenar los vacíos en nuestra comprensión actual es lo que hace que mi carrera como profesora sea tan gratificante, ", dijo Trelewicz." Con los recursos de la Universidad Stony Brook, CFN cercano, y otros laboratorios del DOE, Tengo una plataforma increíble para hacer contribuciones al campo de la ciencia de los materiales y la metalurgia ".