Forskere finder ud af, at små strukturers mekaniske opførsel påvirkes af atomare defekter

Et internationalt hold af videnskabsmænd med deltagelse fra universitetet i Göttingen, Indian Institute of Science, Bangalore, Pennsylvania State University, og Wright State University har målt mekanikken i lille krystallinsk keramik. Materialer er lavet af atomer, og hvis de arrangeres med jævne mellemrum, de kaldes krystallinske strukturer. Hvis størrelsen af ​​disse krystallinske strukturer er 1, 000 gange mindre end en enkelt menneskehårdiameter, så kaldes de nanostrukturer såsom nano-stænger, nano-ledninger, nano-bånd, nano-bælter osv. I nogle tilfælde kan særlige atomarrangementer gør dem i stand til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi. Disse materialer kaldes piezoelektriske materialer. De er nyttige til energihøst såvel som en række elektromekaniske gadgets for at forbedre livskvaliteten. Derfor, det er vigtigt at have fat i disse nanostrukturer og måle deres mekaniske reaktioner. Indtil nu, det var ukendt, at mekanisk opførsel af piezoelektriske nanokrystaller indeholdende atomare defekter er anderledes end ren. Denne nylige undersøgelse er rapporteret i tidsskriftet Nano bogstaver .

I naturen, krystaller er aldrig 100 procent perfekte, og de har forskellige former for strukturelle defekter. En sådan defekttype er en stablingsfejl. Dette betragtes som en strukturel defekt. I en stablingsfejl, en stak af periodiske arrangementer af atomer i krystaller bliver tilføjet eller mangler. Dr. Kasra Momeni, Direktør for Advanced Hierarchical Materials ved Design Laboratory og fakultetsmedlem af Mechanical Engineering ved Louisiana Tech University, uddyber, at tilstedeværelsen af ​​strukturelle defekter, herunder stablingsfejl, kan ændre spændingsfordelingen væsentligt. Dette skyldes det komplekse samspil mellem stressfelter fra stablingsforkastninger og dem fra frie grænser af nano-stængerne, som kan ændre fejlmekanismen for nanoroder med stabelfejl i forhold til de perfekte.

"Da energihøst er et af de vigtigste krav i nutidens alder, konvertere mekaniske kræfter til en nyttig form for energi, dvs. elektrisk udgang, er et alternativ til andre energitransduktionsmetoder samt en effektiv tilgang. Der er flere krystallinske keramik, som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi. Vi introducerede et nyt koncept om, at mekanikken i disse små krystallinske keramiske strukturer er afhængig af atomare defekter. For eksempel, de kan kollapse, og deres mekaniske egenskaber er ikke som forventet. Overvejelse af disse fakta vil sætte os i stand til at designe energihøstanordninger ud af sådanne små strukturer, " forklarer Dr. Moumita Ghosh, førende videnskabsmand i denne forskning fra universitetet i Göttingen og tidligere doktorgradsforsker ved Indian Institute of Science, Bangalore.

Det nye fund afslører en ikke-intuitiv viden om defekter med hensyn til mekanik ved lav dimension. Defektteknik i piezoelektriske nanomaterialer vil i fremtiden gøre os i stand til at realisere forskellige højkvalitets og omkostningseffektive vibrationsbaseret energihøst samt elektromekaniske anordninger til biomedicinsk forskning, diagnostik, og elektroniske applikationer.