Ingeniører viser, hvordan man forhindrer brud på faste overflader på fly, elektroniske enheder

Ingeniører ved University of California San Diego har opdaget, hvordan revner kan forhindres i at dannes og forplante sig over faste overflader af fly og elektroniske enheder.

Holdet, ledet af nanoingeniørprofessor Michael Demkowicz, offentliggjorde deres resultater den 10. oktober 2022 i tidsskriftet Nature Materials.

"Hvis vi forstår oprindelsen af ​​mekaniske brud, kan vi designe måder at stoppe svigt i dens barndom," sagde Demkowicz.

Demkowicz og hans samarbejdspartnere undersøgte, hvordan brud begynder ved krystaldefekter i nanoskala på faste overflader. Når de først er startet, kan disse revner vokse med lidt eller ingen kraft, der påføres materialet, hvilket gør enheder ubrugelige eller endda farlige.

Holdet observerede, at brudprocessen ved krystaldefekten er meget dynamisk - involverer ændringer i den underliggende atombinding. De lavede observationer med et banebrydende scanningstunnelmikroskop, der kombinerer lavtemperatur-kryogene egenskaber, mekanisk deformation og en unik evne til at undersøge ændringer i materialets elektroniske struktur på atomær skala.

"Vores scanningssonde kombinerer en række eksperimentelle metoder til at overvåge mekanisk adfærd og elektroniske fænomener i nanoskala under ekstreme forhold, hvilket tidligere havde været umuligt," sagde Demkowicz.

Gennem direkte visualisering af brudadfærden og elektroniske egenskaber koblede holdet brudprocesser til kvantenaturen af ​​den underliggende atomare struktur.

Ved kemisk at ændre bindingerne ved nanoskala-revnespidsen kunne holdet undertrykke revnen i at forplante sig og dermed forbedre materialets sejhed.

Forskerne foreslår, at resultaterne kan give nye retninger for design og udvikling af mekanisk robuste materialer og enheder, der bruges i en lang række applikationer, fra fly til biomedicinske implantater og elektroniske enheder.

"Denne opdagelse fremhæver det faktum, at oprindelsen af ​​brud er meget dynamisk, og det giver os mulighed for at forestille os ruter for tekniske materialer og enhedsgeometrier, der er modstandsdygtige over for fejl," sagde Demkowicz.

Reference :

Kaitlin O'Brien, Benjamin J. McEnaney, Michael J. Cawkwell, James Ciston og Michael J. Demkowicz, "Suppression of nanoscale fraktur by chemical control of crack-tip electronic structure," Nature Materials (10. oktober 2022). DOI:10.1038/s41563-022-01334-0.