材料通常被认为是一相，但许多工程材料含有两相或更多相，从而改善了其特性和性能。这些两相材料的微观结构中嵌入有称为沉淀物的夹杂物。合金是两种或多种金属的组合，用于许多应用，例如喷气发动机的涡轮机和汽车应用的轻质合金，因为它们由于嵌入的沉淀物而具有非常好的机械性能。然而，平均沉淀物尺寸往往会随着时间的推移而增加(这一过程称为粗化)，这会导致具有纳米级沉淀物的微结构的性能下降。
诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员发现了一种稳定合金中纳米级沉淀物的新途径。在一项新的研究中，材料科学与工程教授 Pascal Bellon、博士后研究员 Gabriel Bouobda Moladje 及其合作者表明，可以利用非平衡过程来阻止沉淀物粗化，从而产生稳定的纳米结构。
这项研究的结果 最近发表在《物理评论快报》上。
“在过去的二十年里，研究人员已经意识到，结构中含有纳米级夹杂物实际上对材料非常有益，”贝隆说。“挑战在于，这些小颗粒会自发地变大。”
就像制作意大利面一样：当油被添加到沸水中时，第一次添加和搅拌时，油滴可能很小，但如果停止搅拌，油滴会结合在一起形成更大的油滴。这就是粗化过程。“如果我们对小尺度物体的分布感兴趣，我们就必须克服这种物体变粗的自然趋势，”贝隆解释道。
该团队使用计算模型来研究材料不同晶体之间的域(称为晶界)在受到辐射(一种非平衡力)时形成的沉淀物。在平衡环境中，力是平衡的，并且材料没有净变化。然而，在大多数应用中，硬质材料会受到非平衡力的作用，例如辐射，甚至搅拌。因此，了解沉淀物如何在这种非平衡环境中演化非常重要。
“我们对接受高能粒子辐照的合金特别感兴趣，”贝隆说。“例如，这种情况发生在用于核应用的材料中。对于太空中使用的材料来说也是如此，它们会受到宇宙射线的轰击。我们特别关注的是铝和锑的模型合金。”
在铝和锑的合金中，锑想要形成沉淀物，就像油想要在水中形成液滴一样。研究人员发现，当受到辐射时，析出物会如预期在晶界处形成。但他们还发现，沉淀物不会粗化并继续生长，而是达到一定尺寸后停止。这称为抑制粗化行为，是一个意想不到的结果。
这种方法可以应用于物质传输起着重要作用的其他材料系统，例如电池电极之间离子物质的传输。在电池材料中，具有小的沉淀物是有利的，因为大的沉淀物会对材料产生很大的应力。在这种情况下，抑制粗化将是有益的。
在这项计算研究之后，Bellon 与 UIUC MatSE 教授 Robert Averback 和 Marie Charpagne 计划开始探索对最近发表的结果进行实验验证。贝隆说：“我们很高兴能够将建模、理论和实验结合起来，同时利用所有材料研究实验室工具，在实验水平上测试计算机模拟的预测。”
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