On the structure and icosahedral interconnectivity in Tantalum monatomic glass produced under pressure

Abstract

Proper processing of bulk metallic glasses (BMGs) under pressure is a promising approach to tailor their properties. However, to fully understand how pressure processing affect the final glass properties, a clearer understanding of how the pressure affects the structure of the glass at both short- and medium range levels is required. Accordingly, using molecular dynamics simulations, we study the effect of cooling under pressure on the local structure and the medium-range connectivity in a model Tantalum monatomic metallic glass. Crystalline grains form in the Ta sample with increasing the pressure under which the sample was cooled. These observations were confirmed by decreasing the fivefold symmetry with increasing pressure. The connectivity type between the perfect icosahedra was determined and showed that when cooled under pressure, intercross sharing is favored in the higher pressure. This work gives insights into understanding local structural changes induced by the pressure in metallic glasses.

Recommended citation: Kbirou, Atila, Hasnaoui. "On the structure and icosahedral interconnectivity in Tantalum monatomic glass produced under pressure." Physica Scripta. 99(8) (2024).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
This study investigates how applying high pressure during the cooling process of Tantalum (Ta) metallic glass affects its atomic structure. Using advanced computer simulations (molecular dynamics), researchers observed that increasing pressure leads to the formation of crystalline structures within the glass. Specifically, the arrangement of atoms shifts from a disordered, glassy state towards more ordered, crystal-like clusters, with a decrease in the characteristic 'icosahedral' structures that are common in metallic glasses. This suggests that pressure can be used as a tool to control the internal structure of these materials. The findings are significant because metallic glasses are being explored for various applications, including medical implants and advanced electronics, due to their unique properties. Understanding how pressure influences their structure is crucial for tailoring these properties. This research provides fundamental insights into how pressure can induce structural changes, potentially leading to the development of new metallic glass materials with enhanced performance and novel functionalities by controlling their internal atomic arrangement.

🇸🇦 العربية
تدرس هذه الدراسة كيف يؤثر تطبيق ضغط عالٍ أثناء عملية تبريد الزجاج المعدني أحادي الذرة من التنتالوم (Ta) على بنيته الذرية. باستخدام محاكاة حاسوبية متقدمة (الديناميكا الجزيئية)، لاحظ الباحثون أن زيادة الضغط تؤدي إلى تكوين هياكل بلورية داخل الزجاج. على وجه التحديد، يتحول ترتيب الذرات من حالة زجاجية غير منظمة نحو تكتلات أكثر تنظيمًا وشبيهة بالبلورات، مع انخفاض في الهياكل 'الأوجه الإثني عشر' المميزة الشائعة في المعادن الزجاجية. يشير هذا إلى أن الضغط يمكن استخدامه كأداة للتحكم في البنية الداخلية لهذه المواد. تعتبر النتائج مهمة لأن الزجاج المعدني يتم استكشافه لمختلف التطبيقات، بما في ذلك الغرسات الطبية والإلكترونيات المتقدمة، نظرًا لخصائصه الفريدة. يعد فهم كيفية تأثير الضغط على بنيته أمرًا بالغ الأهمية لتكييف هذه الخصائص. تقدم هذه الدراسة رؤى أساسية حول كيفية تسبب الضغط في تغييرات هيكلية، مما قد يؤدي إلى تطوير مواد زجاجية معدنية جديدة ذات أداء محسن ووظائف مبتكرة من خلال التحكم في ترتيبها الذري الداخلي.

🇫🇷 Français
Cette étude examine comment l'application d'une pression élevée pendant le processus de refroidissement du verre métallique monatomique de tantale (Ta) affecte sa structure atomique. En utilisant des simulations informatiques avancées (dynamique moléculaire), les chercheurs ont observé qu'une augmentation de la pression entraîne la formation de structures cristallines au sein du verre. Plus précisément, l'arrangement des atomes passe d'un état désordonné et vitreux à des agrégats plus ordonnés, semblables à des cristaux, avec une diminution des structures caractéristiques en « icosaèdre » communes dans les verres métalliques. Cela suggère que la pression peut être utilisée comme un outil pour contrôler la structure interne de ces matériaux. Les résultats sont importants car les verres métalliques sont étudiés pour diverses applications, notamment les implants médicaux et l'électronique de pointe, en raison de leurs propriétés uniques. Comprendre comment la pression influence leur structure est crucial pour adapter ces propriétés. Cette recherche fournit des aperçus fondamentaux sur la manière dont la pression peut induire des changements structurels, conduisant potentiellement au développement de nouveaux matériaux en verre métallique aux performances améliorées et aux fonctionnalités novatrices en contrôlant leur arrangement atomique interne.

🇩🇪 Deutsch
Diese Studie untersucht, wie sich die Anwendung hohen Drucks während des Abkühlprozesses von monatomarem Tantal (Ta)-Metallglas auf seine atomare Struktur auswirkt. Mithilfe fortschrittlicher Computersimulationen (Molekulardynamik) beobachteten die Forscher, dass eine Druckerhöhung zur Bildung kristalliner Strukturen im Glas führt. Insbesondere verschiebt sich die Anordnung der Atome von einem ungeordneten, glasartigen Zustand hin zu geordneteren, kristallähnlichen Clustern, wobei die charakteristischen „ikosaedrischen“ Strukturen, die in Metallgläsern üblich sind, abnehmen. Dies deutet darauf hin, dass Druck als Werkzeug zur Steuerung der inneren Struktur dieser Materialien eingesetzt werden kann. Die Ergebnisse sind von Bedeutung, da Metallgläser aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen, einschließlich medizinischer Implantate und fortschrittlicher Elektronik, erforscht werden. Das Verständnis, wie Druck ihre Struktur beeinflusst, ist entscheidend für die Anpassung dieser Eigenschaften. Diese Forschung liefert grundlegende Einblicke, wie Druck strukturelle Veränderungen hervorrufen kann, was potenziell zur Entwicklung neuer Metallglasmaterialien mit verbesserter Leistung und neuartigen Funktionalitäten durch Kontrolle ihrer inneren atomaren Anordnung führen kann.