Nieporządek w metalicznych stopach fascynuje świat

Perfekcja nie zawsze jest najlepszym rozwiązaniem. W przypadku materiałów pewne stochastyczne zaburzenia budowy wewnętrznej mogą korzystnie wpływać na ich właściwości mechaniczne. Artykuły dotyczące roli takiego nieporządku w strukturze atomowej stopów, powstające w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku w zespole prof. Stefanosa Papanikolaou, budzą zainteresowanie naukowców z całego świata.

Lawinowe uwalnianie naprężeń to proces uniwersalny, obserwowany nie tylko w wielu skalach przestrzennych, ale także w układach o różnym charakterze, od czysto fizycznych przez społeczne po struktury wirtualne. Nikogo nie powinno więc dziwić, że w 2012 roku redakcja „Nature”, jednego z najbardziej prestiżowych czasopism naukowych świata, wybrała na okładkę ilustrację obrazującą tę wieloskalową uniwersalność: mikroskopowe zdjęcie nanosłupów niklu (długości kilku mikrometrów) z symbolicznie nałożonym uskokiem tektonicznym San Andreas (długości setek kilometrów). Pierwszym współautorem artykułu, do którego nawiązywała fotografia, był dr hab. Stefanos Papanikolaou, obecnie prof. NCBJ kierujący grupą naukowców-informatyków zajmujących się modelowaniem materiałów w Centrum Doskonałości NOMATEN Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku. Dekadę później badania prof. Papanikolaou nadal cieszą się tak dużym zainteresowaniem, że znalazł się on w najnowszej edycji rankingu World's Top 2% Scientists, obejmującego grupę 2% najczęściej cytowanych naukowców świata.

„Wysoka cytowalność wynika z tematyki artykułów" - mówi prof. Stefanos Papanikolaou. "Dotyczą one bardzo szerokiej dziedziny wiedzy, którą można określić jako fizykę układów nieuporządkowanych. Szczególnie interesujące są tu różnorakie procesy stochastyczne zachodzące w materiałach, ponieważ prowadzą do powstawania mechanicznych deformacji, mających kluczowe znaczenie dla właściwości mechanicznych wykonanych z nich elementów”. 

Prof. Papanikolaou trafił do Centrum Doskonałości NOMATEN dwa i pół roku temu. Jest tu liderem rozwijającego się, obecnie dziesięcioosobowego zespołu badawczego MASIF (Materials Structure, Informatics and Functions). Grupa zajmuje się niedawno powstałą dziedziną wiedzy: informatyką materiałową, czyli wieloskalowym modelowaniem materiałów, dużymi zbiorami danych, oraz tworzeniem narzędzi programowych z użyciem metod uczenia maszynowego ułatwiających interpretowanie, rozumienie i przewidywanie właściwości istniejących materiałów, a także wspomagających projektowanie nowych. Badania są prowadzone we współpracy z wieloma zewnętrznymi instytucjami naukowymi (m.in. Harvard University i MIT) i w ciągu ostatnich dwóch lat zaowocowały już 31 artykułami naukowymi.

„Ostatnio naszą uwagę przyciągają wielokomponentowe stopy metaliczne o wysokiej entropii” - mówi prof. Papanikolaou. „Materiały tego typu składają się z co najmniej czterech metali występujących w zbliżonych proporcjach i standardowo wykazują silne chemiczne nieuporządkowanie struktury krystalicznej. Może być ono czynnikiem odpowiedzialnym za ich wyjątkowe właściwości mechaniczne, zachowywane nawet w warunkach ekstremalnych, na przykład w reaktorach, gdzie wysoka temperatura i intensywne bombardowanie neutronami tworzą wyjątkowo niesprzyjające środowisko. Innym obiecującym obszarem zastosowań stopów o wysokiej entropii wydają się być zdobywające coraz większą popularność techniki druku trójwymiarowego”.

Za pomocą narzędzi informatycznych open source oraz przygotowywanych przez siebie, zespół prof. Papanikolaou stara się zrozumieć mechanizmy odpowiedzialne za powstawanie nieporządku w stopach wielokomponentowych, jego wpływ na właściwości mechaniczne materiałów oraz rolę w powstawaniu i propagowaniu się różnorodnych deformacji, zwłaszcza pęknięć. Tak zgromadzona wiedza przekłada się na konkretne zastosowania: umożliwia projektowanie materiałów lepszych od istniejących, łączących ich najbardziej pożądane cechy, takie jak lekkość, plastyczność, elastyczność czy trwałość. Przewidywania grupy badawczej prof. Papanikolaou są następnie weryfikowane w eksperymentach realizowanych przez fizyków doświadczalnych z centrum NOMATEN.

Jednym z najnowszych efektów pracy zespołu prof. Papanikolaou, przygotowanym w ścisłej współpracy z fizykami doświadczalnymi, jest otwarty pakiet Materials Informatics, właśnie udostępniony w serwisie GitHub. Oprogramowanie, przeznaczone dla badaczy korzystających z mikroskopów skaningowych i elektronowych, działa z użyciem metod nauczania maszynowego i umożliwia szybką statystyczną analizę i interpretację fotografii próbek materiałowych, w tym identyfikację defektów.

Cytowalność to jedno, własne preferencje to drugie. Które własne artykuły wydają się najbardziej interesujące? Na tak postawione pytanie prof. Papanikolaou reaguje uśmiechem i zwięzłą odpowiedzią: „Te, nad którymi pracuję obecnie – i te, które napiszę w przyszłości”.

Centrum Doskonałości NOMATEN, działające w ramach NCBJ, prowadzi badania naukowe i prace wdrożeniowe nad innowacyjnymi materiałami odpornymi na wysokie temperatury, korozję czy promieniowanie (zwłaszcza neutronowe), przeznaczonymi do pracy w ekstremalnie trudnych warunkach. Materiały powstające w NOMATEN-ie powstają z myślą o zastosowaniach w przemyśle – głównie jądrowym i chemicznym – oraz w medycynie.

PUBLIKACJE NAUKOWE:

Detection of the onset of yielding and creep failure from digital image correlation
Tero Mäkinen, Agata Zaborowska, Małgorzata Frelek-Kozak, Iwona Jóźwik, Łukasz Kurpaska, Stefanos Papanikolaou, and Mikko J. Alava
Phys. Rev. Materials 6, 103601 https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.6...

Materials Informatics for Mechanical Deformation: A Review of Applications and Challenges
K. Frydrych; K. Karimi; M.Pecelerowicz; R. Alvarez-Donado; F.J. Domínguez-Gutiérrez; F. Rovaris; S. Papanikolaou.
Materials 2021,1, 0 https://www.mdpi.com/1996-1944/14/19/5764

Microstructural inelastic fingerprints and data-rich predictions of plasticity and damage in solids
Stefanos Papanikolaou Computational
Mechanics volume 66, pages 141–154 (2020)
https://link.springer.com/article/10.1007/s00466-020-01845-x

September 2022 data-update for "Updated science-wide author databases of standardized citation indicators"”
J. P. A. Ioannidis
DOI: https://doi.org/10.17632/btchxktzyw.5

Pakiet Materials Informatics
https://github.com/MaterialInformatics/MaterialsInfomatics