Снежинки и металл — на первый взгляд, ничего общего. Но ученые из Уральского федерального университета доказали: между хрупкой красотой льда и прочной структурой никеля может лежать одно и то же уравнение. Их открытие позволит не только понимать, как формируются кристаллы, но и управлять этим процессом — от природы до промышленности.
Исследователи представили геометрико-морфологическую теорию, которая впервые описывает внешний облик кристаллов — от центрального «ствола» до мельчайших разветвлений — с помощью одного универсального уравнения. Оно одинаково хорошо работает для снежинок, образованных при -5 °C, и для металлических дендритов, в том числе из никеля. Это особенно важно для металлургии и 3D-печати, где микроструктура напрямую влияет на прочность, электропроводность и теплопроводность материала.
«Форма кристаллов предопределяет физические свойства материала… Поэтому понимание процессов затвердевания имеет громадное значение»
— Любовь Торопова, доцент кафедры теоретической и математической физики УрФУ
Модель успешно прошла проверку: при лазерном выращивании льда в лабораторных условиях её предсказания полностью совпали с формой реальных снежинок. Авторы выяснили, что даже сложные ветвящиеся структуры можно точно описать, варьируя всего один-два параметра, отражающих свойства материала и степень переохлаждения.
Новый подход также применим к промышленным металлам — особенно к сплавам на основе никеля. Именно такие структуры формируются при литье в условиях переохлажденного расплава. Теория позволяет прогнозировать и оптимизировать форму дендритов, влияя на будущие свойства сплава ещё на стадии затвердевания.
Благодаря своей гибкости модель может стать универсальным инструментом для материаловедения, объединяющим фундаментальную физику и прикладную инженерию. От снежинок на стекле до деталей двигателя — теперь все это поддается расчёту.
Источник: пресс-служба Уральского федерального университета
