At se nanosheets og molekyler transformere under tryk kan føre til stærkere materialer

(PhysOrg.com) - Når det kommer til styrketest, grafit - faktisk lagdelte plader af kulstofatomer - klarer sig dårligt. Udsæt det for ultrahøjt tryk, selvom, og grafit bliver til diamant, det hårdeste stof man kender, og et unikt nyttigt materiale til en række forskellige applikationer.

Men selvom diamanter kan være for evigt, de fleste materialer, der transformeres under højt tryk, vender tilbage til deres oprindelige struktur, når trykket løftes - mister alle nyttige egenskaber, de måtte have opnået, når klemningen var på.

Nu, ved at forstå processen bag selve transformationen, både fra eksperimentelle og teoretiske perspektiver, forskere har taget et potentielt skridt mod at skabe en ny klasse af usædvanligt stærke, holdbare materialer, der bevarer deres højtryksegenskaber-herunder styrke og superledningsevne-i hverdagens lavtryksmiljøer.

Forskningen, ledet af Zhongwu Wang, personaleforsker ved Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) og herunder Roald Hoffmann, Nobelpristageren i kemi fra 1981 og Frank H.T. Rhodes professor i humane breve emeritus, vises i oktober 12, spørgsmålet om Proceedings of the National Academy of Sciences .

Yderligere forskere ved CHESS, en gruppe i Korea og en postdoktor i Hoffmann -gruppen, Xiao-dong Wen, også bidraget.

Forskere bruger ofte røntgendiffraktion, en teknik, hvor røntgenstråler projiceres på en struktur og optages på film, efter at de passerer gennem eller hopper af dens overflader, at bestemme de statiske strukturer af atomer og molekyler. Men indtil nu, transformationen og interaktionen mellem to strukturer skete i en metaforisk sort boks, sagde Wang.

For at åbne boksen, forskere fokuserede på wurtzite, en cadmium-selenkrystal, hvor atomer er arrangeret i en diamantlignende struktur, og molekyler er bundet på overfladen. Når tynde ark wurtzit presses under 10,7 gigapascal tryk, eller 107, 000 gange trykket på Jordens overflade, deres atomstruktur omdannes til en rocksaltlignende struktur

At udsætte en krystal i makrostørrelse for højt tryk kan få den til at gå i stykker (små defekter i krystalstrukturen forstørrer, forårsager strukturen, og transformationsprocessen, at blive uregelmæssig) -- så gruppens koreanske samarbejdspartnere forberedte i stedet wurtzite nanoark, som kun er 1,4 nanometer tykke og fejlfrie.

Da der blev påført pres, Wang og kolleger integrerede to røntgendiffraktionsteknikker (lille- og storvinklet røntgendiffraktion) for at karakterisere ændringer i krystallens overfladeform og indre atomstruktur, samt den strukturelle ændring af overfladebundne molekyler.

De opdagede først, at nanopladerne krævede tre gange trykket for at gennemgå transformationen som det samme materiale i større krystalform.

De testede også materialets flydestyrke (det spændingsniveau, hvor det begynder at deformere), hårdhed (modstand mod ridser eller slid) og elasticitet (evne til at vende tilbage til sin oprindelige form) under transformationen. At forstå, hvordan disse egenskaber ændres, når molekylerne interagerer, kan hjælpe forskere med at designe stærkere, hårdere materialer, sagde Wang.

Og tilføjelse af et bindingsmolekyle kaldet en blød ligand til overfladen af ​​højtryks nanosheets, forskerne observerede effekten af ​​denne binding til nanosheets 'interne struktur, transformationstryk, og afstand.

I mellemtiden da Wang og kolleger udførte eksperimenterne på CHESS, Wen og Hoffmann arbejdede på den tilsvarende teori bag transformationsinteraktionen.

"Både eksperimentet og simuleringen stemmer godt overens, "Sagde Wang." Nu ved vi, hvordan atomerne bevæger sig. Vi forstår den mellemliggende procedure. "

Det næste trin er at teste måder at blokere den omvendte transformation fra stensalt tilbage til wurtzite, skaber et materiale, der opretholder rocksaltets unikke egenskaber under omgivelsestryk.

Og Wangs eksperimentelle proces kunne også holde til at forstå transformationsvejen for andre forbindelser.

"Det kan gælde alle andre materialer, " sagde Wang. "Bare følg vores måde at måle på."