Cientistas e engenheiros que trabalham com materiais - metais, polímeros, cerâmica, compósitos, e óculos - saiba que em alguma escala, a capacidade preditiva se desfaz em meio às flutuações conhecidas como "estocasticidade". Na escala atômica, por exemplo, até o cristal mais perfeito tem flutuações termodinâmicas, na forma de "defeitos pontuais" - átomos faltando na estrutura do cristal. Em outro exemplo, os átomos dentro de um material de liga podem se distribuir de várias maneiras:uma liga feita de silício-germânio, pode ser metade e metade de cada elemento geral, mas com flutuações estocásticas, a proporção em que esses elementos são encontrados varia em diferentes escalas de comprimento ao longo do material.

Em um artigo publicado em Avaliações de Física Aplicada , um grupo de pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute, apontando para quatro causas subjacentes de tais flutuações que abrangem os materiais, argumentam que a estocasticidade é inerente a todos os materiais e merece maior exploração como campo de estudo.

"Propomos uma nova estrutura para a compreensão da estocasticidade como um fenômeno unificador importante entre os materiais, "disse Robert Hull, o professor de engenharia Henry Burlage e diretor do Rensselaer Center for Materials, Dispositivos, e Sistemas Integrados, e autor principal do artigo. "Há uma oportunidade de ter uma visão mais ampla da estocasticidade - expandindo nossa visão de observações individuais com base em uma única classe de materiais para uma perspectiva mais ampla entre os materiais - para um maior controle sobre os desafios e benefícios potenciais que ela oferece na ciência dos materiais e Engenharia."

Hull foi acompanhado no papel pelos colegas de Rensselaer Pawel Kelinski, professor e chefe de ciência e engenharia de materiais; Dan Lewis, professor associado em ciência e engenharia de materiais; Antoinette Maniatty, professor de mecânica, aeroespacial, e engenharia nuclear; Vincent Meunier, Jeffrey L. Kodosky '70 Career Development Constellation Chair e chefe de física, física aplicada, e astronomia; Assad A. Oberai, ex-reitor associado da Escola de Engenharia, agora na University of Southern California; Catalin Picu, associar a cabeça mecânica, aeroespacial, e engenharia nuclear; Johnson Samuel, professor associado de mecânica, aeroespacial, e engenharia nuclear; Mark S. Shephard, Elisabeth C. e Samuel A. Johnson '37 Professor em Engenharia; Minoru Tomozawa, professor de ciência e engenharia de materiais; Deepak Vashishth, diretor do Centro Rensselaer de Biotecnologia e Estudos Interdisciplinares; e Shengbai Zhang, a cadeira sênior de Física Gail e Jeffrey L. Kodosky '70, Tecnologia da Informação, e Empreendedorismo.

Todos os materiais exibem estocasticidade em algum tempo ou escala de comprimento, mas os cientistas de materiais normalmente enfrentam essas flutuações caso a caso, enquanto as implicações mais amplas da estocasticidade permanecem pouco exploradas, Hull disse.

"O fato de que a estrutura interna dos materiais em algum tempo ou escala de comprimento se torna não uniforme e não previsível é um fenômeno que está na base de quase tudo o que fazemos, e ainda temos apenas informações fragmentadas sobre seus efeitos, "Hull disse." Acreditamos que a estocasticidade dos materiais como um campo distinto de estudo pode gerar percepções valiosas que irão aprimorar nossa capacidade de entender e manipular materiais. "

O artigo revisa quatro "amplas classes" de estocasticidade em materiais:flutuações termodinâmicas, flutuações estruturais / composicionais, flutuações cinéticas, e frustração / degeneração. Também considera os efeitos estocásticos decorrentes da imprecisão na medição e incertezas na modelagem e simulação.

Flutuações cinéticas, por exemplo, são flutuações temporais no desenvolvimento da estrutura interna dos materiais (a "microestrutura dos materiais"). Um exemplo bem conhecido é visto na metalurgia, onde o calor e o estresse são usados ​​para alterar a estrutura interna de ligas metálicas, como o aço. Em um nível microscópico, aço, feito de ferro e carbono e outros elementos, forma regiões localmente distintas chamadas "grãos" e "fases". A distribuição de grãos e fases e seus tamanhos característicos são dependentes de flutuações cinéticas durante o processamento do material e afetam propriedades críticas de engenharia, como resistência à tração e ductilidade. A história do processamento de aço, abrangendo milênios, é essencialmente uma tentativa de usar o calor e o estresse para controlar o tamanho do grão e a distribuição de fase e, portanto, otimizar suas propriedades.

Os fabricantes de aço são adeptos da aplicação de técnicas específicas para produzir um produto consistente, mas uma compreensão mais precisa das flutuações cinéticas poderia criar novas variantes previsíveis da microestrutura dos materiais com propriedades aprimoradas ou novas. A pesquisa nas três outras classes de estocasticidade de materiais oferece uma promessa semelhante.

Como remédio, os pesquisadores propõem a estocasticidade como campo de estudo e também oferecem uma estrutura matemática para a descrição da estocasticidade de materiais. Esta estrutura, disse Hull, torna possível considerar a estocasticidade sob uma metodologia unificadora.

Finalmente, os pesquisadores percebem vantagens potenciais para aproveitar a estocasticidade. Tipicamente, as flutuações de estocasticidade são consideradas um desafio a ser controlado e mitigado. Mas é possivel, os pesquisadores escreveram, que uma maior compreensão da estocasticidade revelará situações sob as quais as flutuações inerentes dos materiais geram novas propriedades dos materiais.

"A natureza nos deu um número finito de elementos, e maneiras de combiná-los, "Hull disse." Talvez, dentro da estocasticidade, podemos encontrar novos graus de liberdade dentro do conjunto de materiais que antes não eram reconhecidos. "

"Estocasticidade na estrutura dos materiais, propriedades, e processamento - Uma revisão "apareceu na edição de março de 2018 da Avaliações de Física Aplicada .