Forskere opdager nye principper inden for materialevidenskab

(PhysOrg.com) - Materialforskere har vidst, at et metals styrke (eller svaghed) er styret af dislokationsinteraktioner, en rodet udveksling af krydsende brudlinjer, der bevæger sig eller bølger i metalliske krystaller. Men hvad sker der, når metaller fremstilles på nanoskala? Er der en måde at gøre metaller stærkere og mere duktile ved at manipulere deres nanostrukturer?

Brown University -forskere har muligvis fundet ud af en måde. I et blad udgivet i Natur , Huajian Gao og forskere fra University of Alabama og Kina rapporterer om en ny mekanisme, der styrer topstyrken af ​​nanostrukturerede metaller. Ved at udføre 3-D atomsimuleringer af opdelte korn af nanostrukturerede metaller, Gao og hans team observerede, at dislokationer organiserer sig i meget ordnet, halskæde-lignende mønstre i hele materialet. Kernedannelsen af ​​dette dislokationsmønster er det, der bestemmer spidsstyrken af ​​materialer, rapporterer forskerne.

Fundet kunne åbne døren til at producere stærkere, mere duktile metaller, sagde Gao, professor i ingeniørvidenskab ved Brown. "Dette er en ny teori, der styrer styrke i materialevidenskab, " tilføjede han. "Dens betydning er, at den afslører en ny mekanisme for materialestyrke, der er unik for nanostrukturerede materialer."

Opdel et metalkorn ved hjælp af en specialiseret teknik, og stykkerne kan afsløre grænser inden for kornet, som forskere omtaler som tvillingegrænser. Disse er generelt flade, krystaloverflader, der afspejler krystalorienteringerne på tværs af dem. De kinesiske forfattere skabte nanovindede grænser i kobber og analyserede mellemrummet mellem grænserne, da de lavede en interessant observation:Kobberet blev stærkere, da rummet mellem grænserne faldt fra 100 nanometer, i sidste ende nåede en styrketop på 15 nanometer. Imidlertid, da afstanden faldt fra 15 nanometer, metallet blev svagere.

"Det er meget forvirrende, " sagde Gao.

Så Gao og Browns kandidatstuderende Xiaoyan Li gravede lidt længere. Brown-forskerne reproducerede deres samarbejdspartneres eksperiment i computersimuleringer, der involverede 140 millioner atomer. De brugte en supercomputer på National Institute for Computational Sciences i Tennessee, hvilket gjorde det muligt for dem at analysere tvillingegrænserne på atomskala. Til deres overraskelse, de så et helt nyt fænomen:Et højt ordnet dislokationsmønster styret af kernedannelse havde taget fat og dikteret kobberets styrke. Mønsteret var karakteriseret ved grupper af atomer nær dislokationskernen og samlet i højt ordnet, halskæde-lignende mønstre.

"De kommer ikke i vejen for hinanden. De er meget organiserede, " sagde Gao.

Fra eksperimenterne og computermodelleringen, forskerne teoretiserer, at på nanoskalaen, dislokationskernedannelse kan blive det styrende princip for at bestemme et metals styrke eller svaghed. Forfatterne præsenterede en ny ligning i Nature -papiret for at beskrive princippet.

"Vores arbejde giver et konkret eksempel på en kildestyret deformationsmekanisme i nanostrukturerede materialer for første gang og, som sådan, kan forventes at have en dybtgående indflydelse på materialevidenskab, " sagde Gao.