Ultrafølsom måling af deformation i nanoskala

Nanoskala deformationer kan påvirke højpræcisionseksperimenterne, såsom Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)

En kandidatstuderende fra Caltech har vist, at materialer kan undergå uelastisk deformation, før de giver, som kan påvirke design af materialer, hvilket fører til stærkere og hårdere strukturer.

Xiaouye Ni, der studerer materialevidenskab i laboratoriet hos Julia R. Greer, en Caltech professor i materialevidenskab og mekanik, har vist, at metaller undergår permanent deformation, selv før de giver - den tærskel, ved hvilken et materiale under belastning bliver permanent deformeret.

For eksempel, tag en metallineal og bøj den en lille smule. Når du slipper, det vil springe tilbage til sin oprindelige form. Men hvis du tager den samme lineal og bøjer den så hårdt som du kan, det vil nå et punkt kendt som flydepunktet, hvor det forbliver permanent bøjet.

Inden for materialevidenskab, udbyttefænomenet forklares som følger:

Når du deformerer et materiale under dets flydegrænse, du strækker bare midlertidigt båndene mellem dets atomer. Der sker ingen permanent ændring i materialets struktur på atomniveau, og deformationen er fuldstændig genvindelig og øjeblikkelig. Denne midlertidige strækning kaldes elastisk deformation.

Deform et metal forbi dets flydepunkt, og du forårsager bevægelse af allerede eksisterende linjefejl, kendt som dislokationer, som bidrager til den permanente deformation. Dislokationerne bevæger sig gennem krystalgitteret, skabe flere dislokationer, når de går og sno sig ind i hinanden. Bevægelsen af ​​disse forskydninger resulterer i permanent plastisk deformation.

Udbyttepunktet anses normalt for at være et diskret fænomen - det vil sige dislokationer begynder at bevæge sig, når et materiale er anstrengt ud over dets flydepunkt. Imidlertid, Ni's data viser, at der er på atomniveau, irreversible ændringer i strukturen af ​​et materiale, så snart et materiale begynder at deformere, længe før den når sit udbyttepunkt.

"Hver materialeforsker og enhver lærebog i verden vil fortælle dig, at når du deformerer noget materiale - det kan være et metal, træ, enhver form for tekstil, noget - det første der sker er elastisk deformation, der øjeblikkeligt vil komme sig, "Greer siger." Det er den mest fundamentale overbevisning, at næsten alle mekaniske og materialevidenskabelige kurser er afhængige af. "

For at undersøge, hvad der skete i et materiale under belastning, Xiaouye fremstillede kobbersøjler, der er 500 nanometer brede (et menneskehår er 200 gange tykkere) og presset på dem med en diamantpind.

Stiften påførte faste mængder tryk mindre end kobberets flydegrænse og svingede derefter lidt op og ned.

Hvad hun fandt ud af var, at efter at have været udsat for disse svingninger, søjlerne var langsomme til at vende tilbage til deres oprindelige uformet form.

"Hvis deformationen var rent elastisk, det ville ikke ske, fordi det ville komme sig øjeblikkeligt, "Siger Xiaouye.

Den trægte reaktion viste, at søjlerne havde udviklet en intern modstand, et kendetegn ved uelastisk deformation.

"Det, Xiaouye's data viser, er, at fra det første øjeblik du begynder at deformere det, dislokationerne begynder at være aktive, "Siger Greer. Nu hvor vi ved, hvordan vi gør dette, vi kan undersøge en række forskellige klasser af materialer.

Xiaouye siger, at opdagelsen sandsynligvis vil finde applikationer inden for mange studieretninger. "Du kan faktisk bruge denne signatur til at se, hvor tæt du er på det katastrofale fejlpunkt, " siger Xiaouye. Også til eksperimenter med høj præcision, som Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)-som opdagede gravitationsbølger for første gang i 2016-kan selv nanoskala-dislokationer skabe en støj, som det er bydende nødvendigt at forstå og fjerne.

Studiet, "Afprøvning af mikroplasticitet i småskala FCC-krystaller via dynamisk mekanisk analyse, "dukkede op i 14. april -udgaven af Fysisk gennemgangsbreve .