Ingeniører modellerer nanoskala krystaldynamik i system, der er let at se

Rice University ingeniører, der efterligner atom-skala processer for at gøre dem store nok til at se, har modelleret, hvordan forskydning påvirker korngrænser i polykrystallinske materialer.

At grænserne kan ændre sig så let, var ikke helt en overraskelse for forskerne, som brugte roterende arrays af magnetiske partikler til at se, hvad de har mistanke om, der sker ved grænsefladen mellem fejljusterede krystaldomæner.

Ifølge Sibani Lisa Biswal, professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved Rices George R. Brown School of Engineering, og kandidatstuderende og hovedforfatter Dana Lobmeyer, kan grænsefladeforskydning ved grænsen mellem krystal og tomrum faktisk drive, hvordan mikrostrukturer udvikler sig.

Teknikken rapporteret i Science Advances kunne hjælpe ingeniører med at designe nye og forbedrede materialer.

For det blotte øje fremstår almindelige metaller, keramik og halvledere ensartede og solide. Men på molekylær skala er disse materialer polykrystallinske, adskilt af defekter kendt som korngrænser. Organiseringen af ​​disse polykrystallinske aggregater styrer sådanne egenskaber som ledningsevne og styrke.

Under påført stress kan korngrænser dannes, omkonfigureres eller endda forsvinde helt for at imødekomme nye forhold. Selvom kolloide krystaller er blevet brugt som modelsystemer til at se grænser flytte sig, har det været en udfordring at kontrollere deres faseovergange.

"Det, der adskiller vores undersøgelse, er, at i de fleste kolloide krystalundersøgelser dannes korngrænserne og forbliver stationære," sagde Lobmeyer. "De er i det væsentlige hugget i sten. Men med vores roterende magnetfelt er korngrænserne dynamiske, og vi kan se deres bevægelse."

I eksperimenter inducerede forskerne kolloider af paramagnetiske partikler til at danne 2D polykrystallinske strukturer ved at spinde dem med magnetiske felter. Som for nylig vist i en tidligere undersøgelse, er denne type system velegnet til at visualisere faseovergange, der er karakteristiske for atomare systemer.

Her så de, at gas og faste faser kan eksistere side om side, hvilket resulterer i polykrystallinske strukturer, der inkluderer partikelfrie områder. De viste, at disse tomrum fungerer som kilder og dræn for bevægelse af korngrænser.

Den nye undersøgelse viser også, hvordan deres system følger den langvarige Read-Shockley-teori om hårdt kondenseret stof, der forudsiger misorienteringsvinkler og energier af lavvinklede korngrænser, dem, der er karakteriseret ved en lille fejljustering mellem tilstødende krystaller.

Ved at påføre et magnetisk felt på de kolloide partikler fik Lobmeyer de jernoxidindlejrede polystyrenpartikler til at samle sig og så på, hvordan krystallerne dannede korngrænser.

"Vi startede typisk med mange relativt små krystaller," sagde hun. "Efter nogen tid begyndte korngrænserne at forsvinde, så vi troede, det kunne føre til en enkelt, perfekt krystal."

I stedet blev der dannet nye korngrænser på grund af forskydning ved hulrumsgrænsefladen. I lighed med polykrystallinske materialer fulgte disse fejlorienteringsvinklen og energiforudsigelserne lavet af Read og Shockley for mere end 70 år siden.

"Korngrænser har en betydelig indflydelse på materialers egenskaber, så forståelsen af, hvordan hulrum kan bruges til at kontrollere krystallinske materialer, giver os nye måder at designe dem på," sagde Biswal. "Vores næste skridt er at bruge dette afstembare kolloide system til at studere udglødning, en proces, der involverer flere opvarmnings- og afkølingscyklusser for at fjerne defekter i krystallinske materialer."

National Science Foundation (1705703) støttede forskningen. Biswal er William M. McCardell-professor i kemiteknik, professor i kemisk og biomolekylær teknik og i materialevidenskab og nanoteknik. + Udforsk yderligere

Brug af elektronmikroskopi og automatisk atomsporing for at lære mere om korngrænser i metaller under deformation