MITの研究者らは、標準的な製造プロセス後でも金属が微妙な原子パターンを保持していることを発見し、長年抱かれてきた仮定に挑戦した。これらのパターン、微視的な転位によって駆動されるものは、要求の厳しいアプリケーション向けに材料特性をカスタマイズすることをエンジニアに可能にするかもしれない。この発見はNature Communicationsに掲載され、冶金学における新しい物理的原理を明らかにした。
長年、科学者らは金属合金の原子パターンが製造中に消失し、原子をランダムな状態に残すと信じてきた。しかし、MITの研究者らはこれらの微妙な化学的配列が持続し、強度、耐久性、耐熱性、放射線耐性などの重要な特性に影響を与えることを示した。
チームは、MITの材料科学・工学部門のTDK助教授であるロドリゴ・フレイタスが率い、先進的な機械学習シミュレーションを使用して金属加工中の原子挙動をモデル化した。彼らは製造の一般的なステップである変形と加熱をシミュレートし、原子がどのように再配列されるかを追跡した。驚くべきことに、金属は完全なランダム性に決して到達しなかった。
「結論は：金属内の原子を完全にランダム化することは決してできない。処理方法はどうあれ関係ない」とフレイタスは説明する。「これは金属に保持されるこれらの非平衡状態を示す最初の論文だ。」
この研究は、これらのパターンが原子格子の不規則な歪みである転位に起因することを特定した。変形中、転位は低エネルギー経路を好むことで原子を好ましい位置に導き、安定した「平衡から遠い状態」を作成する。共同一著者のMahmudul Islam、Yifan Cao、Killian Sheriffは、高精度モデルと大規模シミュレーションに貢献した。
Nature Communications（2025；16(1)、DOI: 10.1038/s41467-025-64733-z）に掲載されたこの研究は、米国空軍科学調査局の若手研究者プログラム、MathWorks、MIT-ポルトガルプログラムによって支援された。フレイタスは、触媒、電気化学、原子炉での放射線損傷への潜在的な影響を指摘する。
「研究者らはこれらの原子配列が金属特性を変える方法を調べている—大きなものは触媒だ」とフレイタスは言う。アプリケーションは航空宇宙合金に拡張可能で、原子のシャッフルを理解することが強度と低密度のバランスの鍵となる。