Går super lille for at få super stærke metaller

Du kan ikke se dem, men de fleste metaller omkring dig - mønter, sølvtøj, selv stålbjælkerne, der holder bygninger og overgange, består af små metalkorn. Under et stærkt nok mikroskop, kan du se sammenlåsende krystaller, der ligner en bordplade i granit.

Det har længe været kendt af materialeforskere, at metaller bliver stærkere, efterhånden som størrelsen af ​​kornene, der udgør metallet, bliver mindre - op til et punkt. Hvis kornene er mindre end 10 nanometer i diameter, er materialerne svagere, fordi, man tænkte, de glider forbi hinanden som sand, der glider ned ad en klit. Metallernes styrke havde en grænse.

Men eksperimenter ledet af den tidligere postdoktor ved University of Utah, Xiaoling Zhou, nu ved Princeton University, lektor i geologi Lowell Miyagi, og Bin Chen ved Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research i Shanghai, Kina, vis, at det ikke altid er tilfældet - i prøver af nikkel med korndiametre så små som 3 nanometer, og under højt tryk, styrken af ​​prøverne fortsatte med at stige med mindre kornstørrelser.

Resultatet, Zhou og Miyagi siger, er en ny forståelse af, hvordan individuelle atomer i metalkorn interagerer med hinanden, samt en måde at bruge denne fysik til at opnå superstærke metaller. Deres undersøgelse, udført med kolleger ved University of California, Berkeley og på universiteter i Kina, er udgivet i Natur .

"Vores resultater tyder på en mulig strategi til fremstilling af ultrasterke metaller, "Siger Zhou." Tidligere har forskere mente, at den stærkeste kornstørrelse var omkring 10-15 nanometer. Men nu fandt vi ud af, at vi kunne lave stærkere metaller på under 10 nanometer. "

Skubber forbi Hall-Petch

For de fleste metalgenstande, Miyagi siger, størrelsen af ​​metalkornene er i størrelsesordenen et par til et par hundrede mikrometer - omtrent diameteren på et menneskehår. "Bestik i høj kvalitet vil ofte have et finere, og mere homogen, kornstruktur, som kan give dig mulighed for at få en bedre kant, " han siger.

Det tidligere forståede forhold mellem metalstyrke og kornstørrelse blev kaldt Hall-Petch-forholdet. Metalstyrken steg, da kornstørrelsen faldt, ifølge Hall-Petch, ned til en grænse på 10-15 nanometer. Det er en diameter på kun omkring fire til seks DNA -tråde. Kornstørrelser under denne grænse var bare ikke så stærke. Så for at maksimere styrken, metallurger ville sigte efter de mindste effektive kornstørrelser.

"Kornstørrelsesforbedring er en god tilgang til at forbedre styrken, "Siger Zhou." Så det var ret frustrerende, i fortiden, at finde denne kornstørrelsesforfining tilgang fungerer ikke længere under en kritisk kornstørrelse. "

Forklaringen på svækkelsen under 10 nanometer havde at gøre med måden af ​​kornoverflader på. Kornets overflader har en anden atomstruktur end interiøret, Siger Miyagi. Så længe kornene holdes sammen af ​​friktionens kraft, metallet ville beholde sin styrke. Men ved små kornstørrelser, man tænkte, kornene ville simpelthen glide forbi hinanden under belastning, fører til et svagt metal.

Tekniske begrænsninger forhindrede tidligere direkte eksperimenter på nanograiner, selvom, begrænsende forståelse for, hvordan nanoskala korn opførte sig, og om der endnu kan være uudnyttet styrke under Hall-Petch-grænsen. "Så vi designede vores undersøgelse for at måle styrken af ​​nanometaller, "Siger Zhou.

Under pres

Forskerne testede prøver af nikkel, et materiale, der fås i en lang række nanograin -størrelser, ned til tre nanometer. Deres eksperimenter involverede at placere prøver af forskellige kornstørrelser under intense tryk i en diamantamboltcelle og bruge røntgendiffraktion til at se, hvad der skete på nanoskalaen i hver prøve.

"Hvis du nogensinde har leget med en fjeder, du har sikkert trukket hårdt nok på det for at ødelægge det, så det ikke gør, hvad det skal gøre, "Siger Miyagi." Det er dybest set, hvad vi måler her; hvor hårdt vi kan presse på dette nikkel, indtil vi ville deformere det forbi det punkt, hvor det kunne komme sig. "

Styrken fortsatte med at stige helt ned til den mindste tilgængelige kornstørrelse. 3 nm -prøven modstod en kraft på 4,2 gigapascal (omtrent den samme kraft som ti 10, 000 lbs. elefanter afbalanceret på en enkelt høj hæl), inden de deformeres irreversibelt. Det er ti gange stærkere end nikkel med en kornstørrelse af kommerciel kvalitet.

Det er ikke, at Hall-Petch-forholdet brød sammen, Miyagi siger, men at måden kornene interagerede på var forskellig under forsøgsbetingelserne. Højtrykket overvandt sandsynligvis kornet glidende effekter.

"Hvis du skubber to korn sammen rigtig hårdt, " han siger, "det er svært for dem at glide forbi hinanden, fordi friktionen mellem korn bliver stor, og du kan undertrykke disse glidemekanismer, der viser sig at være ansvarlige for denne svækkelse. "

Når glidning af korngrænsen blev undertrykt ved kornstørrelser under 20 nm, forskerne observerede en ny deformationsmekanisme i atomskala, som resulterede i ekstrem styrkelse af de fineste kornete prøver.

Ultrastærke muligheder

Zhou siger, at et af fremskridtene med denne undersøgelse er i deres metode til at måle styrken af ​​materialer på nanoskalaen på en måde, der ikke er blevet gjort før.

Miyagi siger, at et andet fremskridt er en ny måde at tænke på at styrke metaller - ved at konstruere deres kornoverflader for at undertrykke kornglidning.

"Vi har ikke mange applikationer, industrielt, ting, hvor trykket er så højt som i disse eksperimenter, men ved at vise tryk er en måde at undertrykke deformation af korngrænser, kan vi tænke på andre strategier til at undertrykke det, måske ved hjælp af komplicerede mikrostrukturer, hvor du har kornformer, der forhindrer glidning af korn forbi hinanden. "