Første røntgenbillede nogensinde af materialefejlproces

Fra smede, der smeder jern til håndværkere, der puster glas, mennesker har i århundreder ændret materialers egenskaber for at bygge bedre værktøjer – fra jernhestesko og sværd til glaskrukker og medicinhætteglas.

I det moderne liv, nye materialer er skabt for at forbedre nutidens genstande, såsom stærkere stål til skyskrabere og mere pålidelige halvledere til mobiltelefoner.

Nu, forskere ved Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har opdaget en ny tilgang til at detaljere dannelsen af ​​disse materielle ændringer på atomær skala og i næsten realtid, et vigtigt skridt, der kunne hjælpe med at udvikle bedre og stærkere nye materialer.

I en undersøgelse offentliggjort 16. januar i Naturmaterialer , forskere ved Argonne's Advanced Photon Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet, afsløre, at de - for første gang nogensinde - har fanget billeder af skabelsen af ​​strukturelle defekter i palladium, når metallet udsættes for brint.

Denne billeddannelsesevne vil hjælpe forskere med at validere modeller, der forudsiger materialers opførsel, og hvordan de danner defekter. Defektteknik er praksis med bevidst at skabe defekter i et materiale for at ændre materialets egenskaber. Denne viden er nøglen til bedre ingeniørarbejde, stærkere og mere pålidelige materialer til bygninger, halvledere, batterier, teknologiske enheder og mange andre genstande og værktøjer.

"Defektteknik er baseret på ideen om, at du kan tage noget, du allerede kender egenskaberne af og, ved at indsætte defekter eller ufuldkommenheder, ingeniør ting med forbedrede egenskaber, " sagde Argonne-lærde Andrew Ulvestad, en af ​​forfatterne til undersøgelsen. "Praksis gælder ikke kun for metaller, men ethvert materiale, der har en krystalstruktur, som dem, der findes i solceller og batterikatoder."

Defektteknik bruges til at optimere materialedesign på tværs af en række områder, men det er oftest forbundet med udviklingen af ​​halvledere. Halvledermaterialer, som silicium, bruges som elektriske komponenter; de danner grundlaget for det meste af vores moderne elektronik, herunder bærbare computere og mobiltelefoner.

I en proces kendt som "doping, "producenter skaber defekter i disse materialer ved at tilføje urenheder for at manipulere deres elektriske egenskaber til forskellige teknologiske formål.

Mens producenter ved, at de kan ændre egenskaberne af forskellige materialer for at få de egenskaber, de ønsker, de processer, der styrer disse ændringer, er ikke altid klare.

For at øge forståelsen af ​​sådanne processer, Argonne-forskere fokuserede specifikt på defekter, der dannes på nanoskalaen. defekter, grænseflader og udsving på dette meget lille niveau kan give kritisk indsigt i materialers funktionaliteter, såsom deres termiske, elektroniske og mekaniske egenskaber, i større skala.

For at fange dannelsen af ​​defekter, Argonne-teamet tog en nanostruktureret prøve af palladium og injicerede, eller infunderet, det med brint ved højtryk. På samme tid, de udsatte prøven for kraftige røntgenstråler ved Advanced Photon Source.

Ved at ramme palladiumkrystallen, røntgenstrålerne spredt, og deres spredningsmønster blev fanget af en detektor og brugt til at beregne ændringerne i atomernes position i palladiumstrukturen. I det væsentlige, denne proces gjorde det muligt for forskere at "se" deformationer i materialet.

"På nogle måder, vi fik en ud af en million skud, fordi defekter, der opstår i krystallen, ikke altid sker på grund af processens komplekse natur, " sagde Argonne-fysiker Ross Harder, en anden forfatter i undersøgelsen.

Ændringerne vist i scanningerne eksemplificerer de mange måder, hvorpå defekter kan ændre materialers egenskaber, og hvordan de reagerer på ydre stimuli. For eksempel, de defekter, der dannede, ændrede trykket, ved hvilket palladium kunne lagre og frigive brint, viden, der kunne være nyttig til brintlagring, sensing og rensningsapplikationer, sagde forskerne.

Defekttekniske tilgange bliver allerede brugt til at studere andre systemer, inklusive batteri katode nanopartikler. Imidlertid, undersøgelsen ledet af Ulvestad og Harder er den første til at fange dannelsen af ​​defekter, mens de sker.

"Det, vi har gjort, er at skabe en køreplan for andre forskere. Vi har vist dem en måde at modellere dette system og systemer, der har lignende dynamik, sagde Ulvestad.