Forskere demonstrerer formhukommelseseffekt i guldpartikler

Forskere fra Technion-Israel Institute of Technology og Tyskland har for første gang demonstreret fænomenerne formhukommelse og selvhelbredelse i guldmikropartikler. Opnås gennem defekt-medieret diffusion i partiklen, opdagelsen kan en dag føre til udviklingen af ​​mikro- og nano-robotter, der er i stand til at reparere sig selv; mekanisk stabile og skadetolerante komponenter og enheder; og målrettet medicinafgivelse.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science, blev udført af ph.d.-studerende Oleg Kovalenko og Dr. Leonid Klinger, ledet af prof. Eugen Rabkin fra Technion Department of Materials Science and Engineering, sammen med Dr. Christian Brandl fra Karlsruhe Institute of Technology, Tyskland (KIT).

Formhukommelsesmaterialer er kendetegnet ved evnen til at reparere skaden på dem (såsom plastisk deformation) og genvinde deres oprindelige form. Disse materialer kan eksistere i to stabile krystallinske former, eller faser:austenit, som er den mere symmetriske primære form stabil ved forhøjede temperaturer; og martensit, som er en fase karakteriseret ved lavere symmetri, men også med større styrke. Et velkendt eksempel på overgang mellem de to faser er bratkøling af stål.

Omdannelsen af ​​austenitfasen til martensitten kan aktiveres ved at påføre mekanisk belastning på materialet, eller ved at køle den ned. Martensitstrukturen med lav symmetri gør det muligt for materialet at absorbere betydelig plastisk belastning ved at omorientere de forvrængede krystaller af martensit i overensstemmelse med retningen af ​​den spænding, der påføres det. Selv efter plastisk deformation, martensitkrystallerne "husker" deres moderaustenitfase og er i stand til at genoprette den i sin oprindelige konfiguration. Dette vil ske, hvis materialet varmes op, forårsager den omvendte martensit-austenitfasetransformation og transformerer den termiske energi til mekanisk energi, der vil genoprette materialet til dets oprindelige form.

Indtil nu, denne formhukommelseseffekt er kun blevet observeret i meget få metallegeringer såsom Nitinol (Ni-Ti). Disse legeringer er karakteriseret ved polymorfi - mangfoldighed af mulige stabile krystallinske faser. Dette er første gang fænomenet formhukommelse er blevet påvist i sub-mikrometer partikler af guld. Forskerne indrykkede guldpartiklerne med en skarp diamantspids styret af et atomkraftmikroskop (AFM). Udglødning af de indrykkede partikler ved en temperatur på 600°C (ca. 65% af guldets absolutte smeltetemperatur) resulterede i fuld heling af skaden og genvinding af partiklernes oprindelige form før deformation.

Ifølge prof. Rabkin, opdagelsen af ​​formhukommelseseffekten i disse partikler er overraskende af to grunde:"For det første, partiklernes oprindelige form var ikke perfekt med hensyn til energi og termodynamisk ligevægt. Sekund, guld i sin faste tilstand er ikke karakteriseret ved polymorfi."

For at forstå processen i dybden, forskerne undersøgte den atomare bevægelse under indrykning og opvarmning, ved hjælp af atomistiske molekylær dynamiske computersimuleringer. De demonstrerede, at den plastiske deformation under indrykningsprocessen er medieret af nukleation og glidning af dislokationshalvløkker (dislokationerne er lineære, endimensionelle defekter i krystallen, hvorigennem den undergår plastisk deformation). Sløjferne, der kommer ud på de frie overflader, danner terrasser og afsatser på partiklens flade facetter, og disse tjener som "styreskinner", der leder diffusionen af ​​guldatomer tilbage til det indrykkede sted under højtemperaturudglødning. Dermed genvinder partiklen sin oprindelige form.

Som kaffe, der vender tilbage til koppen helt af sig selv

Både plastisk deformation og kapillardrevet diffusion er klassiske eksempler på termodynamisk irreversible processer. Det er bemærkelsesværdigt, at en kombination af to irreversible processer kan føre til genopretning af skader og reversibel genopretning af en partikelform. For at forstå, hvor overraskende denne proces er, tænk på spildt kaffe, der hopper tilbage fra gulvet i koppen, eller en bil, der genvinder sin oprindelige form efter at være blevet samlet i en ulykke.

Prof. Rabkin siger, at den opdagede selvhelbredende og formhukommelseseffekt i metalliske nano- og mikropartikler kunne bruges til design af mekanisk stabile og skade-tolerante komponenter og enheder på sub-mikrometer længdeskalaen.

For eksempel, en af ​​hovedårsagerne til svigt af mobile elektroniske enheder (såsom tablets og smartphones) er det mekaniske slid på elektriske kontakter. At designe en kontaktgeometri baseret på den opdagede formhukommelseseffekt kan løse dette problem én gang for alle:elektrisk strøm, der strømmer gennem den beskadigede elektriske kontakt, vil opvarme kontaktområdet, og varme vil blive brugt til at reparere den mekaniske skade på kontakten. En anden mulig anvendelse er den kontrollerede lægemiddellevering til de specifikke områder af patientens krop. For denne ansøgning, de partikler, der er i stand til at genvinde deres form ved lavere temperaturer, bør designes. Et lægemiddel kan sprøjtes ind i hulrummet på partikeloverfladen produceret ved indrykning, og frigives efter opvarmning.