Nanometer-skala lag mellem materialer har både faste og flydende egenskaber

Forskere ved Technion har opdaget naturen af ​​nanometertykke lag mellem forskellige materialer og fundet ud af, at de har både faste og flydende egenskaber. Ved at gøre det, forskerne lavede en afgørende tilføjelse til Gibbs' teori, som beskriver de grundlæggende aspekter af grænsefladers termodynamik.

Det nyligt udgivne papir i Videnskab demonstrerer eksperimentelt, at dannelsen af ​​et meget tyndt lag (i størrelsesordenen en nanometer i tykkelse) ved grænseflader reducerer grænsefladeenergien, og fremmer vedhæftning og grænsefladestabilitet. Det tynde lag er ikke en konventionel tilstand af stof, i, at det hverken er et fast stof eller en væske, men snarere noget midt imellem.

Resultaterne kunne gøre det muligt for forskere at forbedre modstandsdygtigheden af ​​bindingen mellem keramiske materialer og metaller, to typer materialer, der "ikke kan lide" at komme i kontakt. De mange applikationer i den virkelige verden omfatter skæreværktøjer til metalbearbejdning; kompositter til bremseklodser; samlingerne mellem metal ledende ledninger og chips i computere; og påføring af beskyttende keramiske belægninger på jetmotorblade.

"Indtil nu, ingen havde været i stand til at forstå, hvorfor disse tynde lag eksisterer, eller hvis de var en midlertidig tilstand eller en ligevægtstilstand, ” forklarer prof. Wayne D. Kaplan, Dekan for Institut for Materialeteknik ved Technion. "Mens deres eksistens ved grænseflader mellem keramiske krystaller og på overfladen af ​​is var kendt, der var en løbende debat om årsagen til dette fænomen og dets egenskaber."

Gennem en lang række eksperimenter, Dr. Mor Baram beviste, at der findes et tyndt lag ved grænsefladen mellem metaller og keramiske materialer, hvilket reducerer grænsefladeenergien. Forskningen var Dr. Barams doktorgradsarbejde, og blev udført under opsyn af prof. Kaplan i samarbejde med Dr. Dominique Chatain fra CNRS i Frankrig.

"Dette fænomen gør os i stand til at stå på skøjter, reducerer de mekaniske egenskaber af keramiske materialer ved høje temperaturer, påvirker morfologien af ​​krystaller i moderne polykrystallinske ingeniørmaterialer, og bidrager til stabiliteten af ​​moderne mikro-elektroniske enheder, ” siger prof. Kaplan.

Holdet udførte nye eksperimenter på Technion ved hjælp af det nye "Titan" elektronmikroskop og en fokuseret ionstråle (FIB). Dette omfattede plettering af safir med en tynd (0,6 mikron tyk) film af guld (til sammenligning, et enkelt hårstrå er 80-100 mikrometer tykt), og opvarmning af prøverne, indtil de nåede ligevægt (dvs. indtil guldfilmen brød op i milliarder af små guldkrystaller på safiren). Forskerne inkluderede også en kilde til elementer på safiren, der vides at spille en rolle i at danne laget mellem forskellige materialer (i dette tilfælde, silicium og calcium). Da prøverne nåede ligevægt, calcium og silicium flyttede til grænsefladen mellem guld og safir, og en tynd (0,0012 mikron, eller 1,2 nanometer tykt) lag blev skabt.

Forskerne var derefter i stand til at måle energien lagret mellem guldet og safiren i nærværelse af det tynde lag. Ved at gøre det, de beviste, at dets tilstedeværelse mindsker grænsefladens energi, og forbedrer derfor dens stabilitet.