Knæk og kurver på nanoskala

Et af de grundlæggende principper for nanoteknologi er, at når du gør ting ekstremt små - en nanometer er omkring fem atomer bred, 100, 000 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår - de vil blive mere perfekte.

"Perfekt i den forstand, at deres arrangement af atomer i den virkelige verden vil blive mere som en idealiseret model, " siger University of Vermont ingeniør Frederic Sansoz, "med mindre krystaller - i f.eks. guld eller kobber - det er nemmere at have færre fejl i dem."

Og eliminering af defekterne ved grænsefladen, der adskiller to krystaller, eller korn, har vist sig af nanoteknologiske eksperter som en stærk strategi til at gøre materialer stærkere, lettere støbt, og mindre elektrisk modstandsdygtig – eller en lang række andre kvaliteter, som designere og producenter efterspørger.

Siden 2004 har da der kom et banebrydende papir ud Videnskab , materialeforskere har været begejstrede for en speciel arrangement af atomer i metaller og andre materialer kaldet en "kohærent tvillinggrænse" eller CTB.

Baseret på teori og eksperimenter, disse sammenhængende tvillingegrænser beskrives ofte som "perfekte, "fremstår som en perfekt flad, et-atom-tykt plan i computermodeller og elektronmikroskopbilleder.

I løbet af det sidste årti, en mængde litteratur har vist disse sammenhængende tvillingegrænser - fundet på nanoskala i den krystallinske struktur af almindelige metaller som guld, sølv og kobber - er yderst effektive til at gøre materialer meget stærkere, samtidig med at de bevarer deres evne til at gennemgå permanent formændring uden at gå i stykker og stadig tillader nem transmission af elektroner - en vigtig kendsgerning for computerfremstilling og andre elektronikapplikationer.

Men ny forskning viser nu, at sammenhængende tvillingegrænser trods alt ikke er så perfekte.

Et team af forskere, inklusive Sansoz, professor ved UVM's College of Engineering and Mathematical Sciences, og kolleger fra Lawrence Livermore National Laboratory og andre steder, skriv i 19. maj-udgaven af Naturmaterialer at sammenhængende tvillingegrænser fundet i kobber "i sagens natur er defekte."

Med et højopløseligt elektronmikroskop, ved at bruge en mere kraftfuld teknik, end der nogensinde er blevet brugt til at undersøge disse grænser, de fandt bittesmå knæk-lignende trin og krumninger i, hvad der tidligere var blevet observeret som perfekt.

Endnu mere overraskende, disse knæk og andre defekter ser ud til at være årsagen til den sammenhængende tvillingegrænses styrke og andre ønskværdige kvaliteter.

"Alt, hvad vi har lært om disse materialer i de sidste 10 år, skal gennemgås med denne nye information, " siger Sansoz

Eksperimentet, ledet af Morris Wang ved Lawrence Livermore Lab, anvendte en nyudviklet kortlægningsteknik til at studere krystalorienteringen af ​​CTB'er i såkaldt nanotvindet kobber og "boom - det afslørede disse defekter, " siger Sansoz.

Denne opdagelse i den virkelige verden var i overensstemmelse med tidligere spændende teoretiske fund, som Sansoz havde gjort med "atomistiske simuleringer" på en computer. Laboratorieresultaterne sendte Sansoz tilbage til hans computermodeller, hvor han introducerede de nyopdagede "knæk"-fejl i sine beregninger. Ved at bruge UVM's Vermont Advanced Computing Center, han bekræftede teoretisk, at knækfejlene observeret af Livermore-teamet fører til "temmelig rige deformationsprocesser på atomær skala, " han siger, der ikke eksisterer med perfekte tvillingegrænser.

Med computermodellen, "vi fandt en række helt nye mekanismer, " han siger, for at forklare, hvorfor sammenhængende tvillingegrænser samtidigt tilføjer styrke og alligevel også tillader strækning (hvad videnskabsmænd kalder "trækstyrke") - egenskaber, der normalt er gensidigt udelukkende i konventionelle materialer.

"Vi anede ikke, at sådanne defekter eksisterede, " siger Sansoz. "Så meget for den perfekte tvillingegrænse. Vi kalder dem nu defekte tvillingegrænser."

I flere årtier, forskere har ledt efter måder at formindske størrelsen af ​​individuelle krystallinske korn i metaller og andre materialer. Som en række diger eller mure i den større struktur, grænserne mellem korn kan bremse intern glidning og hjælpe med at modstå fejl. Generelt, jo flere af disse grænser – jo stærkere er materialet.

Oprindeligt, videnskabsmænd mente, at sammenhængende tvillingegrænser i materialer var meget mere pålidelige og stabile end konventionelle korngrænser, som er usammenhængende fulde af defekter. Men den nye forskning viser, at de begge kunne indeholde lignende typer defekter på trods af meget forskellige grænseenergier.

"Forståelse af disse defekte strukturer er det første skridt til at tage fuld brug af disse CTB'er til at styrke og opretholde duktiliteten og den elektriske ledningsevne af mange materialer, " sagde Morris Wang. "At forstå adfærden og mekanismerne for disse defekter vil hjælpe vores tekniske design af disse materialer til højstyrkeapplikationer."

For Sansoz, denne opdagelse understreger et dybt princip, "Der er alle mulige fejl i naturen, " han siger, "med nanoteknologi, du forsøger at kontrollere den måde, de dannes og spredes i stoffet, og at forstå deres indvirkning på egenskaber. Pointen med dette papir er, at nogle defekter gør et materiale stærkere."