Materialer med en særlig form for grænse mellem krystalkorn kan deformeres på uventede måder

De fleste metaller og halvledere, fra stålet i et knivblad til silicium i et solpanel, består af mange små krystallinske korn. Den måde, hvorpå disse korn mødes ved deres kanter, kan have stor indflydelse på faststofets egenskaber, herunder mekanisk styrke, elektrisk ledningsevne, termiske egenskaber, fleksibilitet, og så videre.

Når grænserne mellem kornene er af en bestemt type, kaldet en sammenhængende tvillingegrænse (CTB), dette tilføjer nyttige egenskaber til visse materialer, især i nanoskalaen. Det øger deres styrke, gør materialet meget stærkere og bevarer dets evne til at deformeres, i modsætning til de fleste andre processer, der tilføjer styrke. Nu, forskere har opdaget en ny deformationsmekanisme for disse to krystalgrænser, som kunne hjælpe ingeniører med at finde ud af, hvordan man mere præcist kan bruge CTB'er til at justere egenskaberne ved nogle materialer.

I modsætning til forventningerne, det viser sig, at et materiales krystalkorn undertiden kan glide langs disse CTB'er. Det nye fund er beskrevet i et papir, der i denne uge blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation af Ming Dao, en hovedforsker ved MIT's Institut for Materialevidenskab og Teknik; Subra Suresh, Vannevar Bush-professor emeritus i teknik og udpeget præsident ved Nanyang Technological University i Singapore; Ju Li, Battelle Energy Alliance -professoren i MIT's Institut for Nuclear Science and Engineering; og syv andre på MIT og andre steder.

Mens hvert krystalkorn består af en ordnet tredimensionel række af atomer i en gitterstruktur, CTB'er er steder, hvor, på de to sider af en grænse, gitteret danner et spejlbillede af strukturen på den anden side. Hvert atom på hver side af den sammenhængende tvillingegrænse matches nøjagtigt af et atom i et spejlsymmetrisk sted på den anden side. Meget forskning i de senere år har vist, at gitter, der indeholder nanoskala CTB'er, kan have meget større styrke end det samme materiale med tilfældige korngrænser, uden at miste en anden nyttig egenskab kaldet duktilitet, som beskriver et materiales evne til at blive strakt.

Nogle tidligere undersøgelser antydede, at disse krystalgrænser ikke er i stand til at glide på grund af det begrænsede antal defekter. Ja, ingen eksperimentelle observationer af en sådan glidning er blevet rapporteret før ved stuetemperatur. Nu, en kombination af teoretisk analyse og eksperimentelt arbejde rapporteret i Naturkommunikation papir har vist, at faktisk under visse former for belastninger kan disse korn glide langs grænsen. Forståelse af denne ejendom vil være vigtig for at udvikle måder at konstruere materialegenskaber for at optimere dem til specifikke applikationer, Siger Dao.

"Mange nanokrystallinske materialer med høj styrke [med kornstørrelser målt på mindre end 100 nanometer] har lav duktilitet og træthedsegenskaber, og fiasko vokser ret hurtigt med lidt strækning, siger han. Omvendt i de metaller, der indeholder CTB'er, der "forstærker styrken og bevarer den gode duktilitet." Men at forstå, hvordan disse materialer opfører sig, når de udsættes for forskellige mekaniske belastninger, er vigtig for at kunne udnytte dem til strukturelle anvendelser. For én ting, det betyder, at materialets deformering er ret ujævn:Forvrængninger i retning af CTB'ernes planer kan ske meget lettere end i andre retninger.

Forsøget blev udført med kobber, men resultaterne bør gælde for nogle andre metaller med lignende krystalstrukturer, såsom guld, sølv, og platin. Disse materialer er meget udbredt i elektroniske enheder, Siger Dao. "Hvis du designer disse materialer" med strukturer i størrelsesområdet udforsket i dette arbejde, som involverer funktioner mindre end et par hundrede nanometer på tværs, "du skal være opmærksom på den slags deformationstilstande."

Den glidende, engang forstået, kan bruges til betydelige fordele. For eksempel, forskere kunne designe ekstremt stærke nanostrukturer baseret på den kendte orienteringsafhængighed; eller ved at kende den type og retning af kraft, der kræves for at starte glidningen, det kan være muligt at designe en enhed, der kan aktiveres, såsom en alarm, som reaktion på et specifikt stressniveau.

"Denne undersøgelse bekræftede CTB -glidning, som tidligere blev anset for umuligt, og dens særlige kørselsforhold, "siger Zhiwei Shan, en senior medforfatter og dekan ved School of Materials Science and Engineering ved Xi'an Jiao Tong University i Kina. "Mange ting kan blive mulige, når der opdages tidligere ukendte aktiverings- eller aktiveringsbetingelser."

"Dette arbejde har gennem både systematiske eksperimenter og analyse identificeret forekomsten af ​​en vigtig mekanisk egenskab, der kun findes i visse specielle typer af grænseflader og på nanoskalaen. I betragtning af at dette fænomen potentielt kan anvendes på en bred vifte af krystallinske materialer, man kan forestille sig nye materialedesignmetoder, der involverer nanostrukturer for at optimere en række mekaniske og funktionelle egenskaber, "Siger Suresh.

"Denne opdagelse kan fundamentalt ændre vores forståelse af plastisk deformation i nanotvinde metaller og bør have stor interesse for materialeforskningssamfundet, "siger Huajian Gao, Walter H. Annenberg professor i teknik ved Brown University, som ikke var involveret i dette arbejde.

Gao tilføjer, at "CTB'er er nøglen til at konstruere nye nanotvinde materialer med overlegne mekaniske og fysiske egenskaber, såsom styrke, duktilitet, sejhed, elektrisk ledningsevne, og termisk stabilitet. Dette papir fremmer vores viden på dette område betydeligt ved at afsløre storstilet glidning af CTB'er. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.