Det er finheden af ​​malingen

Nanomaterialers egenskaber kan være lettere at forudsige i fremtiden. Forskere fra Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer i Stuttgart har formalet metal til stadig finere pulvere i trin og udarbejdet et detaljeret katalog over, hvordan strukturen af ​​metalkornene ændrer sig afhængigt af kornstørrelse. De opdagede, at krystalgitrene oprindeligt krymper, men udvides igen under en vis tærskelkornstørrelse. Arrangementet og afstanden mellem atomerne bestemmer et materiales mange egenskaber. Hvis det er muligt nøjagtigt at karakterisere krystalgitre som funktion af partikelstørrelsen, derved kan det også være muligt mere præcist at beregne, hvordan nanopartikler af en bestemt størrelse opfører sig.

Den finere kaffe formales, jo mere intens smag. Forholdet mellem egenskaber og slibning bekymrer også et team af forskere ledet af Eric Jan Mittemeijer, Direktør ved Max Planck Institute for Intelligent Systems. Forskerne arbejder ikke med kaffe, men i stedet med metaller i nanoskala. Med forskellige meget fint pulveriserede nanokornede metaller bestemte de, at metalatomerne i de enkelte store krystallinske korn trænger sig tættere sammen, jo finere males kornene. Materialets krystalgitter bliver dermed mere komprimeret. Imidlertid, så snart kornene måler mindre end cirka 30 nanometer i diameter, atomerne vender deres adfærd og krystalgitteret udvider sig igen.

Materialeforskere har i nogen tid vidst, at det samme materiale kan udvise forskellige – ja endda modstridende – egenskaber, afhængig af størrelsen af ​​dens partikler. Dette gælder primært, når dimensionerne af en materialeprøve falder til nanometerområdet. Der er også allerede kendt en del om årsagerne til den anderledes adfærd af meget fine og grovere korn. I store metalkrystaller, de fleste af atomerne er fuldstændig omgivet af flere af samme slags atomer. I denne type ordnede gitter, de tiltræknings- og frastødende kræfter mellem metalatomerne er i ligevægt.

I nanoskala korn, overfladeatomerne styrer materialets egenskaber

Til sammenligning, nanokrystaller består af relativt få atomer, hvoraf en meget stor del er placeret ved overfladen af ​​kornene. Når kornstørrelsen falder, forholdet mellem overflade og volumen stiger. Overfladeatomerne er ikke omgivet på alle sider af de samme atomer, og under en vis krystalstørrelse styrer de materialeegenskaberne såsom farven, ledningsevne, magnetiske egenskaber og stoffets hårdhed.

Forskerne producerede nanokrystallinske materialer i en kuglemølle, pulverisering af nikkel, jern, kobber, og wolfram. Stålkuglerne knuser metallerne i en cylindrisk formet tromle til minimale krystaller. Gennem brug af elektronmikroskopi og røntgendiffraktionsanalyse, forskerne i Stuttgart har nu systematisk undersøgt, for første gang, præcis hvordan atomerne i finere og finere metalkrystaller er arrangeret. De var først og fremmest interesserede i, hvordan afstanden mellem atomerne i krystalgitteret ændres som en funktion af krystallkornets størrelse.

I overensstemmelse med deres forventninger, forskerne observerede indledningsvis, at krystalgitrene af de fire undersøgte metaller trak sig sammen med faldende kornstørrelse. "Da vi fortsatte rækken af ​​eksperimenter med mindre og mindre korn, imidlertid, vi gjorde en overraskende opdagelse", siger Eric Jan Mittemeijer. "Hvis granuleringen falder under en vis størrelse i nanometerområdet, krystalgitteret udvider sig igen, og afstanden mellem atomerne øges".

Overfladespænding og overskydende volumen konkurrerer med hinanden

Det faktum, at afstanden mellem atomerne i nanokrystallerne afhænger af kornstørrelsen er, ifølge forskerne, resultatet af to konkurrerende påvirkninger:overfladespænding og overskud af frit volumen. I metaller, atomerne, som er tæt ordnet i det indre og derfor har mange bindinger til andre atomer, har en lavere energi end atomer på overfladen af ​​kornet, som mangler flere bindingspartnere. Dette skaber en overfladespænding. Det tillader atomerne at flytte sig tættere og tættere på hinanden, efterhånden som kornstørrelsen falder, og forholdet mellem overflade og volumen stiger.

Under en vis størrelse, en yderligere effekt af atomerne ved kornets overflade spiller ind. En korngrænse, som det er kendt, former, hvor to nanoskala korn mødes. Overfladeatomer af nabokorn, dvs. atomerne ved korngrænsen, forsøge at indtage en kompromisposition mellem de to krydsende eller overlejrede krystalgitre. De forskyder sig derfor fra deres faktiske gitterplaceringer og optager et større volumen end atomer, indtager en fast stilling i et almindeligt gitter. Forskerne taler om overskydende frit volumen i korngrænserne, som kan være ret udtalt med nanomaterialer. Dette frie volumen i nanomaterialernes korngrænser skaber et spændingsfelt, der udvider afstanden mellem naboatomerne i nanokrystallerne.

"Indflydelsen af ​​dette overskydende frie volumen på atomernes gitterpositioner kan sikkert ignoreres for objekter, der er større end omkring 30 nanometer", siger Mittemeijer. "Det styrer opførsel af mindre objekter, imidlertid, mens overfladespændingen mister betydning ”.

Undersøgelsen foretaget af Max Planck -forskerne kan vise sig at have stor betydning for materialevidenskaben. "Vores forskning bidrager til bedre forståelse af nanomaterialers egenskaber, så en ingeniør ved, hvilket nanomateriale der er egnet til forarbejdning eller produkter, for eksempel", siger Gayatri Rane, der gjorde et afgørende arbejde i undersøgelsen. Sai Ramudu Meka, som også deltog, tilføjer, "Hvis vi ikke ved, hvordan et materiale opfører sig, vi kan heller ikke bruge det korrekt".