Ny materialeforskning ser transformationer på atomniveau

Når fremstillingsteknikker forvandler metaller, keramik eller kompositter til en teknologisk brugbar form, er det vigtigt at forstå mekanismen i fasetransformationsprocessen for at forme opførselen af ​​disse højtydende materialer. Det er dog svært at se disse transformationer i realtid.

En ny undersøgelse i tidsskriftet Nature , ledet af professor Guangwen Zhou fra Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science's Department of Mechanical Engineering og Materials Science-programmet ved Binghamton University, bruger transmissionselektronmikroskopi (TEM) til at kigge ind i oxid-til-metal-transformationen ved atomniveau. Af særlig interesse er de mismatch dislokationer, der altid er til stede ved grænsefladerne i flerfasede materialer og spiller en nøglerolle i at diktere strukturelle og funktionelle egenskaber.

Zhou's studerende Xianhu Sun og Dongxiang Wu er de første medforfattere af papiret ("Dislokation-induceret stop-and-go kinetics of interfacial transformations"). Sun afsluttede for nylig sin ph.d. afhandling, og Wu er ph.d. kandidat. Andre bidragydere er Lianfeng Zou, MS '12, Ph.D. '17, nu professor ved Yanshan University, og Ph.D. kandidat Xiaobo Chen; Professor Judith Yang, gæsteforskningsassistent Stephen House og postdoc-forsker Meng Li fra University of Pittsburghs Swanson School of Engineering; og stabsforsker Dmitri Zakharov fra Center for Functional Nanomaterials, et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Lab.

Ved at bruge den avancerede teknik, sagde Zhou, "kan producenter muligvis kontrollere mikrostrukturen og egenskaberne af nuværende materialer og designe nye typer materialer. Der er en vis praktisk betydning for denne forskning, men der er også en grundlæggende betydning."

Forsøgene testede omdannelsen af ​​kobberoxid til kobber. Direkte observation af en sådan grænsefladetransformation på atomær skala er udfordrende, fordi det kræver en evne til ikke kun at få adgang til den begravede grænseflade, men også at anvende kemiske og termiske stimuli til at drive transformationen.

Ved at bruge miljømæssige TEM-teknikker, der er i stand til at indføre brintgas i mikroskopet for at drive oxidreduktionen, mens de samtidig udfører TEM-billeddannelse, var forskerholdet i stand til at atomisk overvåge grænsefladereaktionen. Overraskende nok observerede forskerne, at omdannelsen fra kobberoxid til kobber sker på en intermitterende måde, fordi den midlertidigt stoppes af mismatch dislokationer, en adfærd, der ligner en stop-and-go-proces, der reguleres af trafiklys.

"Dette er uventet, fordi den sunde fornuft, der accepteres af materialeforskningssamfundet, er, at grænsefladeforskydninger er stederne til at lette transformationen i stedet for at forsinke den," sagde Zhou.

For at forstå, hvad der var på arbejde, udviklede Wu computerkoder til at forklare, hvad de var vidne til i eksperimenter. Denne frem-og-tilbage-proces mellem eksperimenter og computermodellering hjalp teamet med at forstå, hvordan mistilpassede dislokationer styrer den langdistancetransport af atomer, der er nødvendige for fasetransformationen.

"Denne looping, iterative proces mellem eksperimenter og computermodellering, både på atomniveau, er et spændende aspekt for materialeforskning," sagde Zhou.

Den grundlæggende information kan vise sig at være nyttig til at designe nye typer flerfasede materialer og kontrollere deres mikrostruktur, som kan bruges i forskellige applikationer såsom bærende strukturelle materialer, elektronisk fremstilling og katalytiske reaktioner til ren energiproduktion og miljømæssig bæredygtighed.

Efter at have indsamlet indledende data på Binghamton, gentog Sun og forskerholdet eksperimenterne med udstyr i Pitt og Brookhaven, som har forskellige muligheder.

"Dette er et samarbejde. Uden faciliteterne på Brookhaven Lab og University of Pittsburgh kan vi ikke se, hvad vi har brug for at se," sagde Sun. "Også i de sene stadier af mine analysedata talte jeg resultaterne igennem med Judy, Meng og Dmitri mange gange. Jeg kan huske, da vi var færdige med det første udkast og sendte manuskriptet til Dmitri, fortalte han mig, at vi måske skulle inkludere nogle ligninger for at bekræfte vores observerede resultater, og han sendte noget relevant litteratur. Så nu kan vi vise, at disse beregninger stemmer overens med vores eksperimentelle resultater."

Yang kaldte også forskningen for "et rigtig godt partnerskab", der samlede de bedste elementer fra Binghamton, Pitt og Brookhaven.

"Evnen til at bruge frontværktøjer er en af ​​de ting, der understøtter ny videnskab, som eksemplificeret her," sagde hun. "Brookhaven har et enestående mikroskop, der kan tage miljøstress ved højere tryk end det, vi har på University of Pittsburgh, og det har en højere analytisk kapacitet. Men University of Pittsburgh er et godt højopløseligt transmissionselektronmikroskop, der kan acceptere gas, det er et mere robust mikroskop. Der er også mere forskningstid til rådighed."

Hun brugte en analogi til at forklare, hvorfor det er vigtigt at se kemiske reaktioner ske i realtid:"Når du køber fisk, og den er pakket, er der kun så meget, du kan forstå om den fisk i modsætning til at se fisken i et rigtigt miljø."

Fordi de nationale DOE-laboratorier kan tilbyde avancerede instrumenter og ekspertise af høj kaliber, der supplerer det, der er tilgængeligt på universiteter og højteknologisk industri, kan de hjælpe forskere - især dem tidligt i deres karriere - med at tage deres arbejde til det næste niveau, i de fleste tilfælde gratis.

Zakharov sagde, at han er glad for at have spillet en rolle i denne materialeforskning:"Teknikkens kraft er, at det er en direkte metode til at se alle disse dislokationer og fasetransformationer. Du kan kontrollere reaktionen, og du kan gå frem og tilbage til observere, hvordan disse dislokationer i grænsefladerne opfører sig. Der er ikke nogen anden teknik med en sådan direkte observation."

Sun – der nu arbejder på Lawrence Berkeley National Laboratory, også et DOE National Lab – er glad for at have denne forskning endelig offentliggjort.

"Jeg begyndte at analysere disse data i marts 2018, så det har taget næsten fem år at afslutte dette arbejde," sagde han. "Det er udfordrende, men det er det værd." + Udforsk yderligere

Ny forskning kan hjælpe med renere energiteknologier