MIT發(fā)現(xiàn)金屬制造中的隱藏秩序，機(jī)器學(xué)習(xí)揭開非平衡化學(xué)結(jié)構(gòu)

好像在大眾的印象中，制造合金就是一場(chǎng)極端的「原子洗牌」。高溫、巨壓、反復(fù)變形——這些過程被認(rèn)為能把合金里的原子徹底攪勻。幾十年來，材料科學(xué)的共識(shí)是：只要加熱到足夠高、變形夠劇烈，金屬內(nèi)部的化學(xué)秩序就會(huì)被完全抹去。

但麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此。他們指出，無論金屬被加工得多么「猛烈」，原子排列中仍會(huì)保留微妙的化學(xué)圖案——一種隱藏的非平衡秩序。

相關(guān)的研究?jī)?nèi)容以「Nonequilibrium chemical short-range order in metallic alloys」為題，于 2025 年 10 月 8 日發(fā)布在《Nature Communications》。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64733-z

那些看不見的秩序

金屬合金中的原子分布并不完美隨機(jī)。不同元素之間存在輕微的吸引或排斥，這會(huì)形成所謂的化學(xué)「短程有序」（short-range order, SRO）。這些局部圖案極其細(xì)微，往往難以直接觀察，因此長(zhǎng)期被認(rèn)為「無關(guān)緊要」。

但此次研究指出，這種看法忽視了金屬的一個(gè)更深層次的物理特性：它們?cè)谥圃爝^程中會(huì)形成一種遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)（far-from-equilibrium state），在這種狀態(tài)下，化學(xué)秩序不僅沒有被破壞，反而以新的形式重新出現(xiàn)。

圖 1：非平衡材料加工后的殘余 SRO。

團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)能模型（machine learning interatomic potentials），結(jié)合大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD），追蹤數(shù)百萬個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬真實(shí)金屬加工過程中的加熱、軋制、再加熱等循環(huán)步驟。

他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人意外的結(jié)果：即使在極端條件下，合金內(nèi)部的原子也從未達(dá)到完全隨機(jī)的狀態(tài)。相反，系統(tǒng)總會(huì)自發(fā)形成某種微弱但穩(wěn)定的化學(xué)排列。

機(jī)器學(xué)習(xí)揭示的隱藏物理

為了理解這一現(xiàn)象，研究者建立了一個(gè)新的物理模型，揭示這些「殘余秩序」的根源——位錯(cuò)（dislocations）。這些像三維涂鴉般的缺陷在金屬中穿行時(shí)，會(huì)推動(dòng)周圍原子移動(dòng)。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)「打亂」結(jié)構(gòu)，但模擬結(jié)果顯示：位錯(cuò)并不是盲目地?cái)噥y原子，而是更傾向于「走捷徑」——它們優(yōu)先斷開能量較弱的化學(xué)鍵，保留強(qiáng)鍵，從而在「混亂」中形成新的局部規(guī)律。

圖 2：非平衡化學(xué)短程有序的簡(jiǎn)單物理模型。

模擬顯示，這種非平衡化學(xué)有序不僅在理論上存在，還能在真實(shí)制造條件下長(zhǎng)期保持。

即使在快速變形或高溫冷卻中，金屬仍會(huì)呈現(xiàn)獨(dú)特的化學(xué)模式——既不同于平衡態(tài)的晶格，也不同于完全無序的混合體。研究團(tuán)隊(duì)稱之為「遠(yuǎn)離平衡的 SRO」，并首次建立了一個(gè)能夠量化這一現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)模型。

該模型解釋了化學(xué)模式如何從稱為位錯(cuò)的缺陷中產(chǎn)生，這些缺陷就像金屬內(nèi)部的立體涂鴉。當(dāng)金屬變形時(shí)，這些涂鴉會(huì)扭曲，沿途重新排列附近的原子。

圖 3：材料加工過程中的非平衡短程有序結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)在化學(xué)模式下的探索最終成為一張將各種金屬加工步驟與金屬中的不同化學(xué)模式聯(lián)系起來的圖。

秩序隱藏于混亂之中

幾十年來，金屬制造被看作是「把一切打亂再重新塑形」的過程。借助于勢(shì)能模型，MIT 的這項(xiàng)工作，不僅發(fā)現(xiàn)了一種新的物理現(xiàn)象，更讓科學(xué)家重新審視「隨機(jī)性」在材料科學(xué)中的意義。

也正如研究者所表示的那樣：「這可能是合金科學(xué)中被忽視的一根操控桿。我們以前試圖抹去它，但或許該學(xué)會(huì)利用它。」

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