Stressede nanomaterialer viser uventede bevægelser

Johns Hopkins-forskere har opdaget, at under de rette forhold, nyudviklede nanokrystallinske materialer udviser overraskende aktivitet i de små mellemrum mellem de geometriske klynger af atomer kaldet nanokrystaller, som de er lavet af.

Dette fund, detaljeret for nylig i journalen Videnskab , er vigtigt, fordi disse nanomaterialer bliver mere allestedsnærværende i fremstillingen af ​​mikroenheder og integrerede kredsløb. Bevægelse i atomområdet kan påvirke de mekaniske egenskaber af disse futuristiske materialer - hvilket gør dem mere fleksible og mindre skøre - og kan ændre materialets levetid.

"I takt med at vi laver mindre og mindre enheder, vi har brugt flere nanokrystallinske materialer, der har meget mindre krystallitter - hvad materialer, forskere kalder korn - og menes at være meget stærkere, sagde Kevin Hemker, professor og formand for Mechanical Engineering i Johns Hopkins' Whiting School of Engineering og seniorforfatter af Videnskab artikel. "Men vi er nødt til at forstå mere om, hvordan disse nye typer metal og keramiske komponenter opfører sig, sammenlignet med traditionelle materialer. Hvordan forudsiger vi deres pålidelighed? Hvordan kan disse materialer deformeres, når de udsættes for stress?"

Eksperimenterne udført af en tidligere bachelor-forskningsassistent og overvåget af Hemker fokuserede på, hvad der sker i regioner kaldet korngrænser. Et korn eller krystallit er en lille klynge af atomer arrangeret i et ordnet tredimensionelt mønster. Det uregelmæssige rum eller grænseflade mellem to korn med forskellige geometriske orienteringer kaldes korngrænsen. Korngrænser kan bidrage til et materiales styrke og hjælpe det modstå plastisk deformation, en permanent formændring. Nanomaterialer menes at være stærkere end traditionelle metaller og keramik, fordi de har mindre korn og, som resultat, have flere korngrænser.

De fleste videnskabsmænd er blevet lært, at disse korngrænser ikke flytter sig, en egenskab, der hjælper materialet med at modstå deformation. Men da Hemker og hans kolleger udførte eksperimenter på nanokrystallinske aluminiums tynde film, at påføre en type kraft kaldet forskydningsspænding, de fandt et uventet resultat. "Vi så, at kornene var blevet større, hvilket kun kan ske, hvis grænserne flyttes, " han sagde, "og den mest overraskende del af vores observation var, at det var forskydningsspænding, der havde fået grænserne til at flytte sig."

"Den oprindelige opfattelse, " sagde Hemker, "var, at disse grænser var som væggene inde i et hus. Væggene og de rum, de skaber, ændrer ikke størrelse; den eneste aktivitet er ved, at folk bevæger sig rundt inde i rummet. Men vores eksperimenter viste, at i disse nanomaterialer, når du anvender en bestemt type kraft, Værelserne ændrer størrelse, fordi væggene faktisk bevæger sig."

Opdagelsen har konsekvenser for dem, der bruger tynde film og andre nanomaterialer til at lave integrerede kredsløb og mikroelektromekaniske systemer, almindeligvis kaldet MEMS. Grænsebevægelsen vist af Hemker og hans kolleger betyder, at de nanomaterialer, der bruges i disse produkter, sandsynligvis har mere plasticitet, højere pålidelighed og mindre skørhed, men også nedsat styrke.

"Når vi bevæger os hen imod at lave ting i meget mindre størrelser, vi skal tage højde for, hvordan aktivitet på atomniveau påvirker materialets mekaniske egenskaber, " sagde Hemker. "Denne viden kan hjælpe mikroenhedsproducenterne med at beslutte den rigtige størrelse for deres komponenter og kan føre til bedre forudsigelser om, hvor længe deres produkter vil vare."