Ingeniører viser, hvordan perfekte materialer begynder at fejle

Krystallinske materialer har atomer, der er pænt opstillet i et gentaget mønster. Når de går i stykker, at fejl har en tendens til at starte ved en defekt, eller et sted, hvor mønsteret er forstyrret. Men hvordan går fejlfrie materialer i stykker?

Indtil for nylig, spørgsmålet var rent teoretisk; at lave et fejlfrit materiale var umuligt. Nu hvor nanoteknologiske fremskridt har gjort sådanne materialer til virkelighed, imidlertid, forskere ved University of Pennsylvania og Tysklands Max Planck Institute for Intelligent Systems har vist, hvordan disse defekter først dannes på vejen til fiasko.

I en ny undersøgelse, udgivet i Naturmaterialer , de strakte defektfri palladium nanotråde, hver tusind gange tyndere end et menneskehår, under nøje kontrollerede forhold. I modsætning til konventionel visdom, de fandt ud af, at den strækkraft, hvormed disse ledninger fejlede, var uforudsigelig, forekommer i en række værdier, der var stærkere påvirket af den omgivende temperatur, end man tidligere har troet.

Denne termiske usikkerhed i fejlgrænsen antyder, at det punkt, hvor en fejl-inducerende defekt først opstår, er på nanotrådens overflade, hvor atomer opfører sig mere væskeagtigt. Deres øgede mobilitet gør det mere sandsynligt, at de vil omarrangere sig selv til begyndelsen af ​​en "linjedefekt, " som skærer på tværs af nanotråden, får den til at gå i stykker.

Undersøgelsen blev ledet af kandidatstuderende Lisa Chen og lektor Daniel Gianola fra Institut for Materialevidenskab og Engineering på Penns School of Engineering and Applied Science. Andre medlemmer af Gianolas laboratorium, postdoc-forsker Mo-Rigen He og kandidatstuderende Jungho Shin, bidraget til undersøgelsen. De samarbejdede med Gunther Richter fra Max Planck Institute for Intelligent Systems.

"Nanoteknologi handler ikke kun om at gøre tingene mindre, " sagde Chen, "det handler også om forskellige egenskaber, der opstår i materialer på nanoskalaen."

"Når du laver disse virkelig små strukturer, " sagde Gianola, "de er ofte vokset nedefra, i et atom for atom, lag-for-lag proces, og det kan give dig en meget mere uberørt struktur, end hvis du skulle tage en stor metalblok og skære den ned. Ud over, atomerne på overfladen udgør en meget større del af totalen og kan kontrollere egenskaberne af materialet i nanoskala."

Forskerne dyrkede palladium nanotråde gennem en dampaflejringsmetode ved høj temperatur, som gav hvert atom tid og energi til at bevæge sig rundt, indtil det fandt sit foretrukne sted i metallets krystallinske struktur.

spirer fra et underlag som græsstrå, holdet brugte en mikroskopisk robotmanipulator til omhyggeligt at plukke ledningerne og fastgøre dem til deres testplatform inde i et elektronmikroskop.

Denne platform, udviklet i samarbejde med Sandia National Laboratory, fungerer som en industriel mekanisk testmaskine på nanoskala. Svejsning af en nanotråd til et greb fastgjort til en række skrå stænger, der udvider sig, når de opvarmes af en elektrisk strøm, forskerne kunne så strække nanotråden på en kontrolleret måde. Ved gentagne gange at skrue op for spændingen til et andet maksimum og bringe den ned med samme hastighed, forskerne kunne pege på, hvornår den første irreversible deformation i ledningen skete.

"Bare det at trække det, indtil det fejler, fortæller dig ikke præcist, hvor og hvordan den fejl begyndte, " sagde Gianola. "Vores mål var at udlede det punkt, hvor de første af nanotrådens atomer begynder at skifte ud af deres oprindelige positioner og danne en mobil defekt."

Beregningsundersøgelser antydede, at dette punkt kunne afsløres ved at studere temperaturafhængigheden af ​​svigt. Fraværende defektfri nanotråde til at køre fysiske eksperimenter på, tidligere teorier og analyser antydede, at forholdet mellem temperatur og styrke var deterministisk; at kende temperaturen ville gøre det muligt at estimere en nanotråds fejlgrænse.

Ved at udføre deres strækningsforsøg ved forskellige temperaturer, forskerne var i stand til at kortlægge disse fejlpunkter. Overraskende nok, de fandt ledningernes styrker spredt over en række værdier, selv når den er strakt ved samme temperatur.

"Vi har været i stand til at verificere, " sagde Chen, "gennem eksperimenter, og ikke kun teori, at denne proces er termisk aktiveret, og at der er en stor tilfældighed i processen. Normalt kan man sige, at et bulkmateriale har en vis styrke ved en bestemt temperatur, men du er nødt til at tage en anden tilgang til at specificere styrken af ​​nanotråden. Afhængigt af den temperatur, du er bekymret for, selv fordelingen af ​​styrker kan variere drastisk."

At denne fordeling fandt sted over et relativt stort værdiområde betød, at den termiske aktiveringsbarriere, mængden af ​​energi, der er nødvendig for at starte kernedannelsen af ​​den første defekt, var forholdsvis lav. Sammenligning af størrelsen af ​​denne termiske aktiveringsbarriere med andre atomistiske mekanismer gav forskerne en vis indsigt i, hvad der drev denne proces.

"Diffusion af atomer på en overflade, " sagde Gianola, "er den eneste mekanisme, der har denne lave termiske aktiveringsbarriere. Overfladediffusion er atomer, der hopper rundt, site til site, lidt kaotisk, næsten som en væske. Et palladiumatom, der sidder inde i hovedparten af ​​ledningen, har 12 naboer, og er nødt til at bryde de fleste af disse bånd for at flytte rundt. Men en på overfladen har måske kun tre eller fire til at bryde."

At forstå oprindelsen af ​​fordelingen af ​​styrker i nanostrukturer vil give mulighed for mere rationelt design af enheder.

"Indtil for nylig, " sagde Gianola, "det har været meget svært at lave fejlfri nanotråde. Men nu hvor vi kan, der er en grund til at bekymre sig om, hvordan de fejler. Deres styrker er næsten tusind gange, hvad du ville få fra bulkmaterialet med defekter - i dette eksperiment, vi observerede, til vores viden, de højeste styrker nogensinde målt i den krystalstruktur af metal - så de vil være attraktive at bruge i alle mulige enheder."