Científicos e ingenieros que trabajan con materiales:metales, polímeros, cerámica, composicion, y anteojos, sepa que a cierta escala, La capacidad predictiva se rompe en medio de las fluctuaciones conocidas como "estocasticidad". En la escala atómica, por ejemplo, incluso el cristal más perfecto tiene fluctuaciones termodinámicas, en forma de "defectos puntuales":átomos que faltan en la red cristalina. En otro ejemplo, los átomos dentro de un material de aleación pueden distribuirse de muchas maneras:una aleación hecha de germanio de silicio, puede ser la mitad y la mitad de cada elemento en total, pero con las fluctuaciones estocásticas, la proporción en la que se encuentran esos elementos varía a diferentes escalas de longitud en todo el material.

En un artículo publicado en Reseñas de física aplicada , un grupo de investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer, apuntando a cuatro causas subyacentes de tales fluctuaciones que abarcan materiales, Argumentan que la estocasticidad es inherente a todos los materiales y merece una mayor exploración como campo de estudio.

"Proponemos un nuevo marco para entender la estocasticidad como un fenómeno unificador importante entre los materiales, "dijo Robert Hull, el profesor de ingeniería Henry Burlage y director del Centro de Materiales Rensselaer, Dispositivos, y sistemas integrados, y autor principal del artículo. "Existe la oportunidad de tener una visión más amplia de la estocasticidad, al expandir nuestra visión de las observaciones individuales basadas en una única clase de materiales a una perspectiva más amplia de todos los materiales, para un mayor control sobre los desafíos y los beneficios potenciales que ofrece en la ciencia de los materiales y Ingenieria."

A Hull se le unieron en el papel los colegas de Rensselaer, Pawel Kelinski, profesor y director de ciencia e ingeniería de materiales; Dan Lewis, profesor asociado en ciencia e ingeniería de materiales; Antonieta Maniatty, profesor de mecánica, aeroespacial, e ingeniería nuclear; Vincent Meunier, Jeffrey L. Kodosky '70 Career Development Constellation Chair y director de física, física Aplicada, y astronomía; Assad A. Oberai, ex decano asociado de la Facultad de Ingeniería, ahora en la Universidad del Sur de California; Catalin Picu, asociado de cabeza mecánica, aeroespacial, e ingeniería nuclear; Johnson Samuel, profesor asociado de mecánica, aeroespacial, e ingeniería nuclear; Mark S. Shephard, la Profesora de Ingeniería Elisabeth C. y Samuel A. Johnson '37; Minoru Tomozawa, profesor de ciencia e ingeniería de materiales; Deepak Vashishth, director del Centro Rensselaer de Biotecnología y Estudios Interdisciplinarios; y Shengbai Zhang, la cátedra senior Gail y Jeffrey L. Kodosky '70 en Física, Tecnologías de la información, y Emprendimiento.

Todos los materiales exhiben estocasticidad en algún tiempo o escala de longitud, pero los científicos de materiales normalmente se enfrentan a esas fluctuaciones caso por caso, mientras que las implicaciones más amplias de la estocasticidad siguen siendo poco exploradas, Dijo Hull.

"El hecho de que la estructura interna de los materiales en algún momento o escala de longitud se vuelva no uniforme y no predecible es un fenómeno que sustenta casi todo lo que hacemos, y, sin embargo, solo disponemos de información fragmentada sobre sus efectos, ", Dijo Hull." Creemos que la estocasticidad de los materiales como un campo de estudio distinto podría producir información valiosa que mejorará nuestra capacidad para comprender y manipular materiales ".

El artículo revisa cuatro "amplias clases" de estocasticidad en materiales:fluctuaciones termodinámicas, fluctuaciones estructurales / composicionales, fluctuaciones cinéticas, y frustración / degeneración. También considera los efectos estocásticos que surgen de la imprecisión en la medición y las incertidumbres en el modelado y la simulación.

Fluctuaciones cinéticas, por ejemplo, son fluctuaciones temporales en el desarrollo de la estructura interna de los materiales (la "microestructura de los materiales"). Un ejemplo bien conocido se ve en la metalurgia, donde el calor y la tensión se utilizan para alterar la estructura interna de aleaciones metálicas como el acero. A nivel microscópico, acero, hecho de hierro y carbono y otros elementos, forma regiones localmente distintas llamadas "granos" y "fases". La distribución de granos y fases y sus tamaños característicos dependen de las fluctuaciones cinéticas durante el procesamiento del material y afectan las propiedades críticas de ingeniería como la resistencia a la tracción y la ductilidad. La historia del procesamiento del acero, que abarca milenios, es esencialmente un intento de utilizar el calor y el estrés para controlar el tamaño de grano y la distribución de fases y, por lo tanto, optimizar sus propiedades.

Los fabricantes de acero son expertos en aplicar técnicas específicas para producir un producto consistente, pero una comprensión más precisa de las fluctuaciones cinéticas podría crear nuevas variantes predecibles de la microestructura de los materiales con propiedades nuevas o mejoradas. La investigación de las otras tres clases de estocasticidad de materiales ofrece una promesa similar.

Como remedio los investigadores proponen la estocasticidad como campo de estudio y también ofrecen un marco matemático para describir la estocasticidad de los materiales. Este marco, dijo Hull, permite considerar la estocasticidad bajo una metodología unificadora.

Finalmente, los investigadores perciben las ventajas potenciales de aprovechar la estocasticidad. Típicamente, las fluctuaciones de la estocasticidad se consideran un desafío a controlar y mitigar. Pero es posible los investigadores escribieron, que una mayor comprensión de la estocasticidad revelará situaciones en las que las fluctuaciones inherentes de los materiales producen nuevas propiedades de los materiales.

"La naturaleza nos ha dado un número finito de elementos, y formas de combinarlos, "Dijo Hull." Quizás, dentro de la estocasticidad, podemos encontrar nuevos grados de libertad dentro del conjunto de materiales que previamente no habían sido reconocidos ".

"Estocasticidad en la estructura de los materiales, propiedades, y procesamiento:una revisión "apareció en la edición de marzo de 2018 de Reseñas de física aplicada .