Ny teknik bygger superhårde metaller fra nanopartikler

Metallurger har alle mulige måder at gøre en klump metal hårdere på. De kan bøje det, sno det, kør den mellem to ruller eller bank den med en hammer. Disse metoder virker ved at bryde metalets kornstruktur op - de mikroskopiske krystallinske domæner, der danner et stort stykke metal. Mindre korn giver hårdere metaller.

Nu, en gruppe forskere fra Brown University har fundet en måde at tilpasse metalliske kornstrukturer nedefra og op. I et papir offentliggjort i tidsskriftet Chem , forskerne viser en metode til at smadre individuelle metal-nanokluster sammen for at danne faste makro-skalaer af fast metal. Mekanisk afprøvning af metallerne fremstillet ved hjælp af teknikken viste, at de var op til fire gange hårdere end naturligt forekommende metalstrukturer.

"Hamring og andre hærdningsmetoder er alle top-down-måder at ændre kornstruktur, og det er meget svært at kontrollere den kornstørrelse, du ender med, "sagde Ou Chen, en adjunkt i kemi ved Brown og tilsvarende forfatter til den nye forskning. "Det, vi har gjort, er at oprette byggesten til nanopartikler, der smelter sammen, når du klemmer dem. På denne måde kan vi have ensartede kornstørrelser, der kan justeres præcist for forbedrede egenskaber."

Til denne undersøgelse, forskerne lavede centimeterskala "mønter" ved hjælp af nanopartikler af guld, sølv, palladium og andre metaller. Artikler af denne størrelse kan være nyttige til fremstilling af højtydende belægningsmaterialer, elektroder eller termoelektriske generatorer (enheder, der omdanner varmefluxer til elektricitet). Men forskerne mener, at processen let kan skaleres op til at lave superhårde metalbelægninger eller større industrielle komponenter.

Nøglen til processen, Chen siger, er den kemiske behandling, der gives til byggestenene i nanopartikler. Metal nanopartikler er typisk dækket med organiske molekyler kaldet ligander, som generelt forhindrer dannelse af metal-metalbindinger mellem partikler. Chen og hans team fandt en måde at fjerne disse ligander kemisk væk, lader klyngerne smelte sammen med bare lidt tryk.

Metallmønterne fremstillet med teknikken var væsentligt hårdere end standardmetal, undersøgelsen viste. Guldmønterne, for eksempel, var to til fire gange hårdere end normalt. Andre egenskaber som elektrisk ledning og lysrefleksans var stort set identiske med standardmetaller, fandt forskerne.

Guldmønternes optiske egenskaber var fascinerende, Chen siger, da der var en dramatisk farveændring, da nanopartiklerne blev komprimeret til bulkmetal.

"På grund af den såkaldte plasmoniske effekt, guld nanopartikler er faktisk lilla-sorte i farven, "Sagde Chen." Men da vi lagde pres på, vi ser disse lilla klynger pludselig blive til en lys guldfarve. Det er en af ​​de måder, vi vidste, at vi faktisk havde dannet bulkguld på. "

I teorien, Chen siger, teknikken kunne bruges til at lave enhver form for metal. Faktisk, Chen og hans team viste, at de kunne lave en eksotisk metalform kendt som et metallisk glas. Metalliske glas er amorfe, hvilket betyder, at de mangler den regelmæssigt gentagne krystallinske struktur af normale metaller. Det giver anledning til bemærkelsesværdige egenskaber. Metalliske glas formes lettere end traditionelle metaller, kan være meget stærkere og mere revnebestandig, og udviser superledning ved lave temperaturer.

"Det er notorisk svært at lave metallisk glas af en enkelt komponent, så de fleste metalliske glas er legeringer, "Chen sagde." Men vi kunne starte med amorfe palladium -nanopartikler og bruge vores teknik til at lave et palladium -metallisk glas. "

Chen siger, at han håber, at teknikken en dag kan blive meget udbredt til kommercielle produkter. Den kemiske behandling, der bruges på nanoklusterne, er ret enkel, og det tryk, der bruges til at presse dem sammen, ligger langt inden for standardindustriudstyr. Chen har patenteret teknikken og håber at fortsætte med at studere den.

"Vi synes, der er et stort potentiale her, både for industrien og for det videnskabelige forskningssamfund, "Sagde Chen.