Sporing af atombevægelse i realtid mellem krystalkorn i metaller

Metalliske materialer, der bruges i teknik, skal være stærke og duktile - i stand til at bære høje mekaniske belastninger, mens de er i stand til at modstå deformation uden at gå i stykker. Hvorvidt et materiale er svagt eller stærkt, duktilt eller skørt, bestemmes dog ikke blot af krystalkornene, der udgør materialet, men snarere af, hvad der sker i mellemrummet mellem dem, kendt som korngrænsen. På trods af årtiers undersøgelser forbliver deformationsprocesser på atomniveau ved korngrænsen undvigende, sammen med hemmeligheden bag at lave nye og bedre materialer.

Ved hjælp af avanceret mikroskopi kombineret med nye computersimuleringer, der sporer atombevægelser, udførte forskere ved Georgia Institute of Technology realtidsobservationer på atomniveau af korngrænsedeformation i poly-kornede metalliske materialer kaldet polykrystallinske materialer. Holdet observerede tidligere uerkendte processer, der påvirker materialeegenskaber, såsom atomer, der hopper fra et plan til et andet over en korngrænse. Deres arbejde, udgivet i Science denne marts, skubber grænserne for sondering på atomniveau og muliggør en dybere forståelse af, hvordan polykrystallinske materialer deformeres. Deres arbejde åbner nye veje for smartere design af nye materialer til ekstreme tekniske applikationer.

"Det er forbløffende at observere atomernes trin-for-trin bevægelser og derefter bruge denne information til at dechifrere den dynamiske glidende proces af en korngrænse med kompleks struktur," sagde Ting Zhu, professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering og en af ​​hovedforfatterne på undersøgelsen, som omfattede samarbejdspartnere fra Beijing University of Technology.

For at udvikle nye og bedre polykrystallinske materialer er det afgørende at forstå, hvordan de deformeres på atomniveau. Holdet søgte at opnå realtidsobservation af korngrænseglidning, en velkendt form for deformation, som spiller en vigtig rolle i styringen af ​​styrken og duktiliteten af ​​polykrystallinske materialer. De valgte at arbejde med platin, fordi dets krystalstruktur er den samme som andre udbredte polykrystallinske materialer som stål, kobber og aluminium. Ved at bruge platin ville deres resultater og indsigt generelt være anvendelige til en bred vifte af materialer.

En kombination af nye metoder

Flere nøgleinnovationer var nødvendige for at udføre eksperimentet. Holdet brugte et transmissionselektronmikroskop (TEM) til at fange stærkt forstørrede billeder af atomer ved korngrænser. TEM sender en elektronstråle gennem en filmlignende platinprøve, behandlet af holdet til at være tynd nok til elektrontransmission. De udviklede også en lille, millimeter-størrelse testanordning, der anvender mekanisk kraft på en prøve og er fastgjort til mikroskopet. TEM'en og enheden arbejder sammen om at skabe billeder på atomniveau af korngrænser under deformation.

For at observere korngrænsen i atomskala glide tydeligere end ved at se TEM-billederne alene, udviklede forskerne en automatiseret atomsporingsmetode. Denne metode mærker automatisk hvert atom i hvert TEM-billede og korrelerer dem derefter mellem billeder, hvilket muliggør sporing af alle atomer og deres bevægelse under korngrænseglidning. Endelig gennemførte holdet computersimuleringer af korngrænseglidning ved hjælp af atomare strukturer udtrukket fra TEM-billederne. Den simulerede glidning hjalp holdet med at analysere og fortolke begivenheder, der skete på atomskalaen. Ved at kombinere disse metoder var de i stand til at visualisere, hvordan individuelle atomer bevæger sig ved en deformerende korngrænse i realtid.

Resultater

Mens det var kendt, at korngrænser glider under deformation af polykrystallinske materialer, afslørede realtidsbilleddannelse og analyse af Zhu og hans team en rig række atomare processer, nogle af dem hidtil ukendte.

De bemærkede, at under deformation gled to nabokorn mod hinanden og fik atomer fra den ene side af korngrænseplanet til at overføre til den anden. Denne proces, kendt som atomplanoverførsel, var tidligere ikke anerkendt. De observerede også, at lokale atomprocesser effektivt kan rumme overførte atomer ved at justere korngrænsestrukturer, hvilket kan være gavnligt for at opnå højere duktilitet. Billedanalyse og computersimuleringer viste, at mekaniske belastninger var høje under de atomare processer, og at dette lettede overførslen af ​​atomer og atomplaner. Deres resultater tyder på, at konstruktion af korngrænserne for finkornede polykrystaller er en vigtig strategi for at gøre materialer stærkere og mere duktile.

Vi ser fremad

Zhu og hans teams demonstrerede evne til at observere, spore og forstå korngrænsedeformation i atomskala åbner flere forskningsmuligheder for yderligere at undersøge grænseflader og fejlmekanismer i polykrystallinske materialer. Større forståelse af deformation på atomniveau kan informere om, hvordan materialer udvikles under korngrænsekonstruktion, en nødvendighed for at skabe enestående styrke- og duktilitetskombinationer.

"Vi udvider nu vores tilgang til at visualisere deformation på atomare skala ved højere temperaturer og deformationshastigheder i jagten på bedre materialer til ekstreme applikationer," sagde Xiaodong Han, en anden hovedforfatter af papiret og professor ved Beijing University of Technology.

Zhu mener, at de datarige resultater fra deres observationer og billeddannelse på atomniveau i realtid kunne integreres med maskinlæring til dybere undersøgelse af materialedeformationer, og dette kunne accelerere opdagelsen og udviklingen af ​​materialer hurtigere end tidligere antaget muligt.

"Vores arbejde viser vigtigheden af ​​at bruge mikroskopi med meget høj opløsning til at forstå materialeadfærd på atomniveau. Dette fremskridt vil gøre det muligt for forskere at skræddersy materialer til optimale egenskaber ved hjælp af atomdesign," sagde Zhu. + Udforsk yderligere

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