ความผันผวนตามธรรมชาติของความสามารถในการสำรวจวัสดุ

Anonim

นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ทำงานกับวัสดุ - โลหะโพลิเมอร์เซรามิคคอมโพสิตและแว่นตา - รู้ว่าในบางระดับความสามารถในการคาดการณ์ลดลงท่ามกลางความผันผวนที่เรียกว่า "stochasticity" ในระดับอะตอมเช่นแม้แต่ผลึกที่สมบูรณ์แบบที่สุดก็จะมีความผันผวนทางอุณหพลศาสตร์ในรูปของ "จุดบกพร่อง" - อะตอมที่หายไปจากโครงตาข่ายคริสตัล ในอีกตัวอย่างหนึ่งอะตอมภายในวัสดุโลหะผสมอาจกระจายได้หลายวิธีเช่นโลหะผสมที่ทำจากซิลิคอนเจอร์เมเนียมอาจเป็นครึ่งหนึ่งและครึ่งหนึ่งขององค์ประกอบทั้งหมดโดยรวม แต่มีความผันผวนน้อยกว่าอัตราส่วนที่องค์ประกอบเหล่านี้จะพบแตกต่างกันไปในแต่ละช่วงความยาวที่แตกต่างกัน ตลอดวัสดุ

ในบทความที่ตีพิมพ์ใน บทวิจารณ์ฟิสิกส์ประยุกต์ กลุ่มนักวิจัยจาก Rensselaer Polytechnic Institute ชี้ให้เห็นถึงสาเหตุสี่ประการที่ทำให้เกิดความผันผวนดังกล่าวซึ่งครอบคลุมถึงวัสดุโดยอ้างว่าการสุ่มตัวอย่างเป็นไปตามธรรมชาติของวัสดุทั้งหมดและเป็นประโยชน์ในการสำรวจที่ยิ่งใหญ่กว่าในสาขาการศึกษา

นายโรเบิร์ตฮัลล์ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมอุปกรณ์และระบบบูรณาการเฮนรีเบอร์ลินกล่าวว่า "เราขอเสนอกรอบแนวคิดใหม่ในการทำความเข้าใจความสับสนเป็นปรากฏการณ์สำคัญที่รวมกันในทุกวัสดุ" "มีโอกาสในการพิจารณามุมมองที่กว้างขึ้นเกี่ยวกับความไม่แน่นอนในการขยายมุมมองของเราจากการสังเกตการณ์เฉพาะบุคคลบนพื้นฐานของวัสดุประเภทเดียวกับมุมมองกว้าง ๆ ของวัสดุเพื่อควบคุมความท้าทายและผลประโยชน์ที่อาจเกิดขึ้นได้มากขึ้นในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและ วิศวกรรม."

ฮัลล์ได้เข้าร่วมในกระดาษโดยเพื่อนร่วมงาน Rensselaer Pawel Kelinski, ศาสตราจารย์และหัวหน้าฝ่ายวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม แดนลูอิสรองศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรม Antoinette Maniatty ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและอวกาศและวิศวกรรมนิวเคลียร์ วินเซนต์ Meunier, เจฟฟรีย์ลิตร Kodosky 70 การพัฒนาอาชีพเก้าอี้กลุ่มและหัวของฟิสิกส์ประยุกต์ฟิสิกส์และดาราศาสตร์; Assad A. Oberai อดีตรองคณบดีคณะวิศวกรรมศาสตร์ตอนที่ University of Southern California; Catalin Picu, หัวหน้าภาควิชาเครื่องกล, อวกาศและวิศวกรรมนิวเคลียร์; จอห์นสันซามูเอลรองศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมเครื่องกลการบินและอวกาศและวิศวกรรมนิวเคลียร์ มาร์คเอส Shephard อลิซาเบทซีและซามูเอลเอ. จอห์นสันศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรม; Minoru Tomozawa ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรม Deepak Vashishth ผู้อำนวยการศูนย์เทคโนโลยีเยื่อและเทคโนโลยีชีวภาพและสหวิทยาการ; และ Shengbai Zhang, Gail อาวุโสและ Jeffrey L. Kodosky '70 ในสาขาฟิสิกส์เทคโนโลยีสารสนเทศและผู้ประกอบการ

วัสดุทั้งหมดแสดงความไม่แน่นอนในช่วงเวลาหนึ่งหรือช่วงความยาว แต่นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุมักเผชิญกับความผันผวนดังกล่าวในแต่ละกรณีในขณะที่ผลกระทบที่กว้างขึ้นของความไม่แน่นอนยังคงอยู่ภายใต้การสำรวจฮัลล์กล่าว

"ความจริงที่ว่าโครงสร้างภายในของวัสดุในช่วงเวลาหนึ่งหรือระยะเวลายาวนานกลายเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่สม่ำเสมอและไม่สามารถคาดการณ์ได้เป็นปรากฏการณ์ที่เป็นรากฐานที่เกือบทุกอย่างที่เราทำและเรายังมีข้อมูลเพียงบางส่วนเกี่ยวกับผลกระทบของมัน" ฮัลล์กล่าว "เราคิดว่าการสุ่มตัวอย่างของวัสดุเป็นสาขาวิชาที่แตกต่างกันของการศึกษาอาจให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าซึ่งจะช่วยเพิ่มความสามารถในการทำความเข้าใจและจัดการกับวัสดุต่างๆได้"

บทความนี้ได้ทบทวน "ความหลากหลายทางพันธุกรรม" สี่ประเภทของความผันผวนทางอุณหพลศาสตร์ความผันผวนของโครงสร้าง / องค์ประกอบความคลาดเคลื่อนเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวและความไม่สมบูรณ์ / ความเสื่อมโทรม นอกจากนี้ยังพิจารณาถึงผลกระทบเชิงสุ่มที่เกิดจากความไม่แม่นยำในการวัดและความไม่แน่นอนในการสร้างแบบจำลองและการจำลอง

ความผันผวนของจลศาสตร์เช่นความผันผวนของเวลาในการพัฒนาโครงสร้างภายในของวัสดุ ("วัสดุโครงสร้างจุลภาค") ตัวอย่างที่รู้จักกันดีคือเห็นได้จากโลหะซึ่งความร้อนและความเค้นถูกนำมาใช้เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างภายในของโลหะผสมโลหะเช่นเหล็ก ในระดับจุลภาคเหล็กเหล็กและคาร์บอนและส่วนประกอบอื่น ๆ จะสร้างพื้นที่ที่แตกต่างกันในท้องถิ่นเรียกว่า "ธัญพืช" และ "เฟส" การกระจายของธัญพืชและเฟสและขนาดลักษณะของมันขึ้นอยู่กับความผันผวนของการเคลื่อนไหวในระหว่างการประมวลผลของวัสดุและส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติทางวิศวกรรมที่สำคัญเช่นความต้านทานแรงดึงและความเหนียว ประวัติความเป็นมาของการแปรรูปเหล็กเป็นระยะเวลานับพันปีเป็นความพยายามที่จะใช้ความร้อนและความเค้นในการควบคุมขนาดของเมล็ดและการกระจายตัวของเฟสดังนั้นจึงเพิ่มสมบัติของมัน

ผู้ผลิตเหล็กมีความชำนาญในการใช้เทคนิคเฉพาะเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สอดคล้องกัน แต่การทำความเข้าใจเกี่ยวกับความผันผวนของจลนพลศาสตร์ที่ชัดเจนยิ่งขึ้นสามารถสร้างตัวแปรใหม่ที่คาดการณ์ได้ของโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่มีคุณสมบัติที่ดีขึ้นหรือใหม่ การวิจัยในสามชั้นเรียนอื่น ๆ ของวัสดุ stochasticity มีสัญญาที่คล้ายกัน

เป็นวิธีการรักษานักวิจัยเสนอ stochasticity เป็นเขตการศึกษาและยังมีกรอบทางคณิตศาสตร์สำหรับการอธิบายวัสดุ stochasticity กรอบการทำงานนี้ฮัลล์กล่าวว่าทำให้สามารถพิจารณาความเป็นไปได้เชิงสุ่ม (Stochasticity) ภายใต้วิธีการรวมกัน

ในที่สุดนักวิจัยได้รับรู้ถึงข้อดีที่อาจเกิดขึ้นในการควบคุมความสับสน (stochasticity) โดยปกติความผันผวนของความสับสนจะถือว่าเป็นความท้าทายที่จะควบคุมและบรรเทา แต่ก็เป็นไปได้ที่นักวิจัยได้เขียนไว้ว่าความเข้าใจที่มากขึ้นเกี่ยวกับความไม่แน่นอนจะเปิดเผยสถานการณ์ที่ความผันผวนตามธรรมชาติของวัสดุทำให้เกิดคุณสมบัติของวัสดุใหม่ ๆ

"ธรรมชาติทำให้เรามีจำนวนองค์ประกอบและวิธีที่จะรวมกันได้" ฮัลล์กล่าว "บางทีอาจเป็นเพราะความไม่แน่นอนเราสามารถหาองศาใหม่ของเสรีภาพภายในชุดวัสดุซึ่งก่อนหน้านี้ได้รับการจดจำไม่ได้แล้ว"

"Stochasticity ในโครงสร้างวัสดุคุณสมบัติและการประมวลผล -A review" ปรากฏในฉบับเดือนมีนาคมปี 2018 ของ Applied Physics Reviews

menu
menu