Icosahedral short-range order suppresses thermal expansion in metallic glasses

🇬🇧 English
Metallic glasses, vital for advanced technologies, suffer from complex thermal expansion that is poorly understood at the atomic level, with previous measurement techniques sometimes yielding misleading results like apparent contraction. This study employed sophisticated molecular dynamics simulations to precisely investigate how different local atomic arrangements within these materials respond to temperature changes. Researchers used Voronoi tessellation to categorize local atomic structures, such as highly ordered icosahedral units and more disordered mixed polyhedra, and developed an improved method for accurately tracking atomic bond lengths using radial probability functions. The key finding reveals that icosahedral short-range order acts as a structural stabilizer, effectively suppressing local thermal expansion due to its compact and energetically stable nature. In contrast, the more flexible mixed polyhedra are the primary drivers of the material's overall thermal expansion. This robust understanding, consistent across various metallic glass compositions and simulation conditions, provides crucial insights for designing next-generation metallic glasses with enhanced thermal stability, making them more reliable for applications in aerospace, automotive, and electronics where extreme temperature variations are common.

🇲🇦 العربية
تعاني الزجاجات المعدنية، وهي مواد حيوية للتقنيات المتقدمة، من تمدد حراري معقد غير مفهوم جيدًا على المستوى الذري، حيث كانت تقنيات القياس السابقة تؤدي أحيانًا إلى نتائج مضللة مثل الانكماش الظاهري. استخدمت هذه الدراسة محاكاة ديناميكا جزيئية متطورة للتحقيق بدقة في كيفية استجابة الترتيبات الذرية المحلية المختلفة داخل هذه المواد لتغيرات درجة الحرارة. استخدم الباحثون تجزئة فورونوي لتصنيف الهياكل الذرية المحلية، مثل الوحدات العشرينية الأوجه عالية التنظيم ومتعددات الوجوه المختلطة الأكثر فوضى، وطوروا طريقة محسنة لتتبع أطوال الروابط الذرية بدقة باستخدام دوال الاحتمال الشعاعي. يكشف الاكتشاف الرئيسي أن الترتيب قصير المدى العشري الأوجه يعمل كمثبت هيكلي، مما يحد بشكل فعال من التمدد الحراري المحلي نظرًا لطبيعته المدمجة والمستقرة طاقيًا. على النقيض من ذلك، فإن متعددات الوجوه المختلطة الأكثر مرونة هي المحركات الأساسية للتمدد الحراري الكلي للمادة. يوفر هذا الفهم القوي، المتسق عبر تركيبات الزجاج المعدني المختلفة وظروف المحاكاة، رؤى حاسمة لتصميم زجاجات معدنية من الجيل التالي ذات استقرار حراري معزز، مما يجعلها أكثر موثوقية للتطبيقات في الفضاء، والسيارات، والإلكترونيات حيث تكون تقلبات درجات الحرارة الشديدة شائعة.

🇫🇷 Français
Les verres métalliques, essentiels pour les technologies avancées, souffrent d'une dilatation thermique complexe mal comprise au niveau atomique, les techniques de mesure précédentes ayant parfois produit des résultats trompeurs, comme une contraction apparente. Cette étude a utilisé des simulations de dynamique moléculaire sophistiquées pour examiner précisément comment différentes configurations atomiques locales au sein de ces matériaux réagissent aux changements de température. Les chercheurs ont employé la tessellation de Voronoï pour classer les structures atomiques locales, telles que les unités icosaédriques hautement ordonnées et les polyèdres mixtes plus désordonnés, et ont développé une méthode améliorée pour suivre avec précision les longueurs de liaison atomiques à l'aide de fonctions de probabilité radiale. La découverte clé révèle que l'ordre à courte portée icosaédrique agit comme un stabilisateur structurel, supprimant efficacement la dilatation thermique locale grâce à sa nature compacte et énergétiquement stable. En revanche, les polyèdres mixtes, plus flexibles, sont les principaux moteurs de la dilatation thermique globale du matériau. Cette compréhension robuste, cohérente à travers diverses compositions de verres métalliques et conditions de simulation, fournit des informations cruciales pour la conception de verres métalliques de nouvelle génération dotés d'une stabilité thermique améliorée, les rendant plus fiables pour les applications dans l'aérospatiale, l'automobile et l'électronique où les variations de température extrêmes sont courantes.

🇩🇪 Deutsch
Metallische Gläser, die für fortschrittliche Technologien unerlässlich sind, weisen eine komplexe Wärmeausdehnung auf, die auf atomarer Ebene schlecht verstanden wird, wobei frühere Messmethoden manchmal irreführende Ergebnisse, wie eine scheinbare Kontraktion, lieferten. Diese Studie nutzte ausgeklügelte Molekulardynamik-Simulationen, um präzise zu untersuchen, wie verschiedene lokale Atomanordnungen in diesen Materialien auf Temperaturänderungen reagieren. Die Forscher verwendeten die Voronoi-Tessellation, um lokale Atomstrukturen wie hochgeordnete ikosaedrische Einheiten und ungeordnetere gemischte Polyeder zu klassifizieren, und entwickelten eine verbesserte Methode zur genauen Verfolgung von Atombindungslängen mittels radialer Wahrscheinlichkeitsfunktionen. Die zentrale Erkenntnis zeigt, dass die ikosaedrische Nahordnung als struktureller Stabilisator wirkt und die lokale Wärmeausdehnung aufgrund ihrer kompakten und energetisch stabilen Natur effektiv unterdrückt. Im Gegensatz dazu sind die flexibleren gemischten Polyeder die Hauptverursacher der gesamten Wärmeausdehnung des Materials. Dieses robuste Verständnis, das über verschiedene metallische Glaskompositionen und Simulationsbedingungen hinweg konsistent ist, liefert entscheidende Einblicke für die Entwicklung von Metallgläsern der nächsten Generation mit verbesserter thermischer Stabilität, wodurch sie für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in der Elektronik, wo extreme Temperaturschwankungen üblich sind, zuverlässiger werden.