A ciência dos materiais é um campo pelo qual Jason Trelewicz se interessa desde que era criança, quando seu pai - um engenheiro - o levaria para o trabalho. No laboratório de materiais no local de trabalho de seu pai, Trelewicz usaria microscópios ópticos para ampliar as superfícies dos materiais, intrigado por todas as características distintas que ele veria conforme a luz interagisse com diferentes amostras.

Agora, Trelewicz, um professor assistente do Departamento de Ciência de Materiais e Engenharia Química da Faculdade de Engenharia e Ciências Aplicadas, com uma nomeação conjunta no Instituto de Ciência Computacional Avançada da Universidade Stony Brook e investigador principal do Laboratório de Nanoestruturas Metálicas Engenheiradas, aproveita as vantagens do ampliações muito maiores de microscópios eletrônicos para ver minúsculas nanoestruturas em detalhes e aprender o que acontece quando elas são expostas ao calor, radiação, e forças mecânicas. Em particular, A Trelewicz está interessada em ligas de metal nanoestruturadas (metais misturados com outros elementos) que incorporam recursos do tamanho de nanômetros em materiais clássicos para melhorar seu desempenho. As informações coletadas em estudos de microscopia eletrônica o ajudam a entender as interações entre características estruturais e químicas em nanoescala. Esse entendimento pode então ser empregado para ajustar as propriedades dos materiais para uso em tudo, desde componentes aeroespaciais e automotivos até eletrônicos de consumo e reatores nucleares.

Desde 2012, quando ele chegou na Stony Brook University, Trelewicz tem usado os microscópios eletrônicos e o cluster de computação de alto desempenho (HPC) no Center for Functional Nanomaterials (CFN) - um Office of Science User Facility do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Brookhaven - para realizar sua pesquisa.

"No momento, Eu estava procurando maneiras de aplicar minha ideia de estabilizar nanoestruturas em metais a um problema orientado para a aplicação, "disse Trelewicz." Há muito tempo estou interessado em tecnologias de energia nuclear, inicialmente lendo sobre fusão na escola primária. A ideia de recriar os processos responsáveis ​​pela energia que recebemos do sol aqui na terra foi cativante, e alimentou meu interesse pela energia nuclear ao longo de toda a minha carreira acadêmica. Embora ainda estejamos muito longe de um reator de fusão que gera energia, uma grande equipe internacional em um projeto em construção na França chamado ITER está trabalhando para demonstrar uma reação de fusão prolongada em grande escala. "

Materiais de revestimento de plasma para reatores de fusão

A fusão nuclear - a reação em que os núcleos atômicos colidem - poderia fornecer um suprimento quase ilimitado de energia limpa, como aquele produzido naturalmente pelo sol através da fusão de núcleos de hidrogênio em átomos de hélio. O aproveitamento dessa energia livre de carbono em reatores requer a geração e manutenção de um plasma, um gás ionizado, nas altíssimas temperaturas em que ocorre a fusão (cerca de seis vezes mais quente do que o núcleo do Sol), enquanto o confina usando campos magnéticos. Dos muitos desafios que atualmente enfrentam as demonstrações de reatores de fusão, um de interesse particular para Trelewicz é a criação de materiais viáveis ​​para construir um reator.

"Os desafios formidáveis ​​de materiais para a fusão estão onde eu vi uma oportunidade para minha pesquisa - desenvolver materiais que possam sobreviver dentro do reator de fusão, onde o plasma irá gerar altos fluxos de calor, altas tensões térmicas, e altos fluxos de partículas e nêutrons, "disse Trelewicz." As condições operacionais neste ambiente estão entre as mais difíceis em que se poderia esperar que um material funcionasse. "

Um candidato primário para esse "material de revestimento de plasma" é o tungstênio, por causa de seu alto ponto de fusão - o mais alto entre os metais na forma pura - e baixo rendimento de pulverização catódica (número de átomos ejetados por íons energéticos do plasma). Contudo, estabilidade do tungstênio contra recristalização, resistência à oxidação, tolerância à radiação de longo prazo, e o desempenho mecânico é problemático.

Trelewicz acredita que projetar ligas de tungstênio com nanoestruturas precisamente adaptadas poderia ser uma maneira de superar esses problemas. Em agosto, ele recebeu $ 750, Prêmio 000 de cinco anos do Programa de Pesquisa em Carreira Inicial do DOE para desenvolver ligas de tungstênio nanocristalinas estáveis ​​que podem suportar o ambiente exigente de um reator de fusão. Sua pesquisa está combinando simulações que modelam interações atômicas e experimentos envolvendo exposição à irradiação iônica em tempo real e testes mecânicos para entender os mecanismos fundamentais responsáveis ​​pela estabilidade térmica das ligas, tolerância à radiação e desempenho mecânico. Os insights desta pesquisa irão informar o projeto de ligas mais resilientes para aplicações de fusão.

Além dos recursos computacionais que usam em sua instituição de origem, Trelewicz e seu grupo de laboratório estão usando o cluster HPC no CFN - e aqueles em outras instalações do DOE, como Titan no Oak Ridge Leadership Computing Facility (um DOE Office of Science User Facility no Oak Ridge National Laboratory) - para conduzir simulações atomísticas em grande escala como parte do projeto.

"As escalas de comprimento das estruturas que queremos projetar em nossos materiais são da ordem de alguns nanômetros a 100 nanômetros, e uma única simulação pode envolver até 10 milhões de átomos, "disse Trelewicz." Usando clusters HPC, podemos construir um sistema átomo por átomo, representante da estrutura que gostaríamos de explorar experimentalmente, e executar simulações para estudar a resposta desse sistema sob vários estímulos externos. Por exemplo, podemos disparar um átomo de alta energia no sistema e observar o que acontece com o material e como ele evolui, centenas ou milhares de vezes. Uma vez que o dano tenha se acumulado na estrutura, podemos simular forças térmicas e mecânicas para entender como a estrutura do defeito afeta outro comportamento. "

Essas simulações informam as estruturas e químicas das ligas experimentais, que Trelewicz e seus alunos fabricam na Stony Brook University por meio de moagem de alta energia. Para caracterizar a estrutura em nanoescala e distribuição química das ligas projetadas, eles usam extensivamente as instalações de microscopia do CFN - incluindo microscópios eletrônicos de varredura, microscópios eletrônicos de transmissão, e microscópios eletrônicos de transmissão de varredura. As imagens são conduzidas em alta resolução e geralmente combinadas com aquecimento no microscópio para examinar em tempo real como as estruturas evoluem com a temperatura. Os experimentos também são realizados em outros laboratórios nacionais do DOE, como Sandia, por meio da colaboração com o cientista de materiais Khalid Hattar do Ion Beam Laboratory. Aqui, os alunos do grupo de pesquisa de Trelewicz irradiam simultaneamente as ligas projetadas com um feixe de íons e as imagens com um microscópio eletrônico ao longo de muitos dias.

"Embora esse dano não se compare ao que o material experimentaria em um reator, fornece um ponto de partida para avaliar se o material de engenharia poderia ou não resolver algumas das limitações do tungstênio para aplicações de fusão, "disse Trelewicz.

A microscopia eletrônica do CFN desempenhou um papel fundamental em uma descoberta emocionante que os alunos de Trelewicz fizeram recentemente:uma transição de fase metaestável para estável inesperada em filmes finos de tungstênio nanoestruturado. Essa transição de fase leva a um processo de crescimento de "grão" anormal no qual algumas características nanoestruturadas cristalinas crescem dramaticamente às custas de outras. Quando os alunos adicionaram cromo e titânio ao tungstênio, esta fase metaestável foi completamente eliminada, por sua vez, aumentando a estabilidade térmica do material.

"Um dos grandes aspectos de ter componentes experimentais e computacionais em nossa pesquisa é que, quando aprendemos coisas novas com nossos experimentos, podemos voltar e adaptar as simulações para refletir com mais precisão os materiais reais, "disse Trelewicz.

Outros projetos do grupo de pesquisa de Trelewicz

A pesquisa com tungstênio é apenas um dos muitos projetos em andamento no Laboratório de Nanoestruturas Metálicas Projetadas.

"Todos os nossos projetos se enquadram no desenvolvimento de novas ligas metálicas com propriedades aprimoradas e / ou multifuncionais, "disse Trelewicz." Estamos buscando diferentes estratégias para otimizar o desempenho do material, adaptando coletivamente a química e a microestrutura de nossos materiais. Muito da ciência reside na compreensão dos mecanismos em nanoescala que governam as propriedades que medimos na macroescala. "

Por meio de um prêmio CAREER (Programa de Desenvolvimento de Carreira no Início do Corpo Docente) da National Science Foundation, Trelewicz e seu grupo de pesquisa estão explorando outra classe de ligas de alta resistência - metais amorfos, ou "vidros metálicos, "que são metais com uma estrutura atômica desordenada semelhante ao vidro. Em comparação com os metais comuns, vidros metálicos são muitas vezes inerentemente mais resistentes, mas geralmente muito frágeis, e é difícil fazê-los em grandes peças, como folhas a granel. A equipe de Trelewicz está projetando interfaces e projetando-as nos vidros metálicos - inicialmente à base de ferro e mais tarde à base de zircônio - para aumentar a resistência dos materiais, e explorar processos de manufatura aditiva para permitir a produção de chapas metálicas. Eles usarão a Instalação de Nanofabricação do CFN para fabricar filmes finos desses vidros metálicos com interface de engenharia para análise in situ usando técnicas de microscopia eletrônica.

Em um projeto semelhante, eles estão procurando entender como a introdução de uma fase cristalina em uma liga amorfa à base de zircônio para formar um compósito de matriz de vidro metálico (composto de fases amorfa e cristalina) aumenta o processo de deformação em relação ao de vidros metálicos regulares. Vidros metálicos geralmente falham catastroficamente porque a deformação fica localizada nas faixas de cisalhamento. A introdução de regiões cristalinas nos vidros metálicos pode inibir o processo pelo qual a tensão se localiza no material. Eles já demonstraram que a presença da fase cristalina altera fundamentalmente o mecanismo de formação das bandas de cisalhamento.

Trelewicz e seu grupo também estão explorando o comportamento de deformação de "nanolaminados" metálicos que consistem em camadas alternadas cristalinas e amorfas, e estão tentando se aproximar do limite teórico de resistência em ligas de alumínio leves por meio de estratégias de dopagem química sinérgica (adicionar outros elementos a um material para alterar suas propriedades).

“Alavancamos recursos do CFN para cada projeto em andamento no meu grupo de pesquisa, "disse Trelewicz." Usamos extensivamente as instalações de microscopia eletrônica para observar a micro e nanoestrutura do material, muito frequentemente, como as interfaces são acopladas a não homogeneidades composicionais - informações que nos ajudam a estabilizar e projetar redes interfaciais em ligas metálicas nanoestruturadas. A modelagem e simulação computacional habilitadas pelos clusters HPC no CFN informam o que fazemos em nossos experimentos. "

Além de seu trabalho na CFN, Trelewicz colabora com seus colegas departamentais para caracterizar materiais na National Synchrotron Light Source II - outra facilidade do DOE Office of Science User Facility em Brookhaven.

"Existem várias maneiras de caracterizar a falta de homogeneidade química e estrutural, "disse Trelewicz." Nós olhamos para pequenas quantidades de material através dos microscópios eletrônicos no CFN e em um nível maior no NSLS-II por meio de técnicas como difração de raios-x e a micro / nano sonda. Combinamos essas informações locais e globais para caracterizar completamente um material e usar essas informações para otimizar suas propriedades. "

Futuro dos materiais de última geração

Quando ele não está fazendo pesquisa, Normalmente, Trelewicz está ocupada com o alcance dos alunos. Ele se conecta com os departamentos de tecnologia em várias escolas, fornecendo-lhes projetos de design de engenharia de materiais. Os alunos não apenas participam dos aspectos de engenharia do design de materiais, mas também são treinados sobre como usar impressoras 3-D e outras ferramentas que são críticas na sociedade de hoje para fabricar produtos com melhor custo-benefício e melhor desempenho.

Daqui para frente, Trelewicz gostaria de expandir suas colaborações no CFN e ajudar a estabelecer sua pesquisa em nanoestruturas metálicas como uma área central apoiada pelo CFN e, em última análise, CORÇA, para alcançar propriedades sem precedentes em materiais clássicos.

"Ser capaz de aprender algo novo todos os dias, usando esse conhecimento para ter um impacto na sociedade, e ver meus alunos preencherem lacunas em nosso entendimento atual é o que torna minha carreira como professor tão gratificante, "disse Trelewicz." Com os recursos da Stony Brook University, CFN próximo, e outros laboratórios DOE, Tenho uma plataforma incrível para fazer contribuições ao campo da ciência dos materiais e metalurgia. "