在材料科學領域的一項突破性研究，可能將幫助工程師設計出更強大、更輕便且更具燃油效率的汽車。密歇根大學的研究人員利用強大的 X 光技術，首次捕捉到輕質鎂合金內部微觀結構的三維視圖，揭示了這些合金如何在不破裂的情況下吸收應力。這項發現為鎂在汽車工業中的更廣泛應用鋪平了道路，潛在地降低成本並提升性能。這項研究得到了美國能源部的資助，提供了鎂合金在機械應力下反應的新見解。
鎂的重量比鋁輕 30%，儘管一些製造商已經在非承重部件中使用鎂，但其更廣泛的應用一直受到其在應變下行為不穩定的限制。理解和控制這種行為有可能使鎂成為汽車生產的主流材料。每種金屬的晶體結構，即原子的有序重複排列，決定了其在被拉伸或彎曲時的反應。鋼和鋁擁有多個“滑移系統”，使原子能夠向任意方向輕易移動，從而在不斷裂的情況下伸展。而鎂的滑移方向則受到限制，僅能在幾個方向上移動原子。
當鎂合金在不易滑動的方向上受到拉伸時，會形成“變形雙胞胎”。這是晶體結構中的鏡像區域，當某個區域的原子改變取向時產生。這一過程類似於將一張紙對摺，使得一側沿著摺痕與另一側相對稱。這種雙胞胎過程增加了材料的延展性，允許其在更多方向上伸展，但過度的雙胞胎化可能會形成缺陷集群，最終導致裂縫。在實驗中，密歇根大學的團隊發現，所有三種類型的雙胞胎都在“三重交界處”形成，即三個晶體交會的地方，而缺陷總是出現在雙胞胎與另一晶體接觸的地方。
根據機械工程和材料科學助理教授 Ashley Bucsek 的說法，這種一致的行為可能是優化鎂在高要求應用中的壽命的關鍵。在施加應力之前，研究人員使用小型 CT 機器掃描樣本，以繪製晶體晶粒的取向。然後，他們選擇了一個理想位置的晶粒來追踪雙胞胎的過程。為了以空前的細節捕捉這些變化，團隊利用位於法國的歐洲同步輻射設施。其高能 X 光使科學家能夠在不損壞樣本的情況下成像所選晶粒。
他們採用了名為暗場 X 光顯微鏡技術，該技術過濾並放大與目標晶粒相關的特定角度的衍射 X 光。樣本在三個不同的載荷下進行了拉伸，這些載荷分別為 0.6、30 和 45 兆帕，這些都是汽車零部件中典型的力量。在每次載荷之間，研究人員對晶粒進行成像，有效地觀察到雙胞胎的形成和演變。負責作者 Sangwon Lee，一名密歇根大學的博士生，形容這次經歷為“第一排觀賞席”，見證了雙胞胎的形成過程。這些高解析度的圖像是使鎂合金既更具延展性又更穩定的第一步，使其更接近於在汽車及其他交通工具中的大規模應用。研究人員計劃在未來的實驗中實時捕捉這些變化。這項研究發表在《科學》期刊上。
