Nanoskala strukturer med overlegne mekaniske egenskaber udviklet

(PhysOrg.com) - Forskere ved California Institute of Technology har udviklet en måde at gøre nogle notorisk skøre materialer duktile - dog stærkere end nogensinde - blot ved at reducere deres størrelse.

Arbejdet, af Dongchan Jang, senior postdoc, og Julia R. Greer, assisterende professor i materialevidenskab og mekanik ved Caltech, i sidste ende kan føre til udvikling af innovative, superstærk, alligevel lette og skadetolerante materialer. Disse nye materialer kan bruges som komponenter i strukturelle applikationer, såsom i lette rumfartsfartøjer, der holder længere under ekstreme miljøforhold og i flådefartøjer, der er modstandsdygtige over for korrosion og slid.

Et papir om arbejdet vises i 7. februar forhåndsonlineudgaven af ​​tidsskriftet Naturmaterialer .

"Historisk set, " siger Greer, "strukturmaterialer har altid været afhængige af deres forarbejdningsbetingelser, og derved har været 'slaver' for deres ejendomme." F.eks. keramik er meget stærk, hvilket gør dem gode til strukturelle applikationer. På samme tid, disse materialer er meget tunge, hvilket er problematisk for mange applikationer, og de er ekstremt skøre, hvilket er mindre end ideelt til at understøtte tunge belastninger. Faktisk, siger Greer, "de fejler katastrofalt under mekaniske belastninger." Metaller og legeringer, på den anden side, er duktile, og derfor er det usandsynligt, at det går i stykker, men de mangler keramiks styrke.

Materialeforskere har udviklet en spændende klasse af materialer kaldet glasagtige metalliske legeringer, som er amorfe og mangler den krystallinske struktur af traditionelle metaller. Materialerne, også kendt som metalliske briller, er sammensat af tilfældige arrangementer af metalliske elementer som zirconium, titanium, kobber, og nikkel. De er lette - en "stor fordel" for deres inkorporering i nye typer enheder, Greer siger - og alligevel er de sammenlignelige i styrke med keramik. Desværre, deres tilfældige struktur gør metalliske glas ret skøre. "De fejler også katastrofalt under trækbelastninger, " hun siger.

Men nu Greer og Jang, den første forfatter på Nature Materials papiret, har udviklet en strategi til at overvinde disse forhindringer – ved at lave metalliske glas, der er næsten forsvindende små.

Forskerne udtænkte en proces til at fremstille zirkoniumrige metalliske glassøjler, der kun er 100 nanometer i diameter - cirka 400 gange smallere end bredden af ​​et menneskehår. I denne størrelse, Greer siger, "de metalliske glas bliver ikke kun endnu stærkere, men også duktile, hvilket betyder, at de kan deformeres til en vis forlængelse uden at gå i stykker. Styrke plus duktilitet, " hun siger, repræsenterer "en meget lukrativ kombination til strukturelle anvendelser."

Endnu, der er ingen umiddelbare ansøgninger om de nye materialer, selvom det kan være muligt at kombinere nanopillarerne i arrays, som så kunne danne byggestenene i større hierarkiske strukturer med styrken og duktiliteten af ​​de mindre objekter.

Arbejdet, imidlertid, "Viser overbevisende, at 'størrelse' med succes kan bruges som en designparameter, " siger Greer. "Vi går ind i en ny æra inden for materialevidenskab, hvor strukturelle materialer ikke kun kan skabes ved at bruge monolitstrukturer, som keramik og metaller, men også ved at introducere 'arkitektoniske' træk i dem."

For eksempel, Greer arbejder på at fremstille en "mursten og mørtel"-arkitektur ved hjælp af bittesmå plader af et metallisk glas og ultrafinkornet duktilt metal med dimensioner i nanoskala, som derefter kan bruges til at fremstille nye tekniske kompositter med forstærket styrke og duktilitet.

At bruge denne arkitektur-drevne tilgang til at skabe strukturelle materialer med forbedrede egenskaber - dvs. for eksempel, superstærk, alligevel lette og duktile – forskere skal forstå, hvordan hver enkelt bestanddel deformeres under brug og under stress.

"Vores resultater, " hun siger, "giver et stærkt grundlag for at bruge komponenter i nanoskala, som er i stand til at tåle meget høje belastninger uden at udvise katastrofale fejl, i bulk-skala strukturelle applikationer specifikt ved at inkorporere arkitektonisk og mikrostrukturel kontrol."

Tilføjer Greer:"Det særligt seje aspekt ved eksperimentet er, at det er næsten umuligt at gøre! Dongchan, min fantastiske postdoc, var i stand til at lave individuelle 100 nanometer-diameter trækstyrke metalliske glas nanopillar prøver, som ingen nogensinde havde gjort før, og brugte derefter vores specialbyggede in situ mekaniske deformationsinstrument, SEMentor, at udføre forsøgene. Han fremstillede prøverne, testet dem, og analyserede dataene. Sammen var vi i stand til at fortolke resultaterne og formulere den fænomenologiske teori, men æren tilfalder ham alt."

Arbejdet i Naturmaterialer papir, "Overgang fra en stærk-men skør til en stærkere og duktil tilstand ved størrelsesreduktion af metalliske glas, " blev finansieret af National Science Foundation og Office of Naval Research, og udnyttede fabrikations- og karakteriseringsfaciliteterne på Kavli Nanoscience Institute ved Caltech.