Løsning af mysterier med metallisk glas på nanoskala

Spørgsmålet om, hvordan metaller deformeres eller reagerer på ydre spændinger, er blevet grundigt undersøgt blandt metallurger i århundreder. Når det kommer til konventionelle metaller - den krystallinske slags med atomer, der stiller op i pæne mønstre - er processen ret godt forstået. Men for deformationen af ​​metalliske glas og andre amorfe metaller har lette svar været uhåndgribelige, især når det kommer til, hvordan tingene fungerer på nanoskala.

I en ny undersøgelse ser prof. Jan Schroers på de fysiske særheder ved, hvordan disse metaller opfører sig i meget små størrelser - indsigt, der kan føre til nye måder at skabe metalliske briller på. Resultaterne er offentliggjort i Nature Communications .

Materialer med metalstyrken, men med plastikkens bøjelighed, udvikles metalliske briller til en bred vifte af anvendelser:rumfart, rumfart, robotteknologi, forbrugerelektronik, sportsartikler og biomedicinske anvendelser.

Disse materialer skylder deres egenskaber til deres unikke atomare strukturer:Når metalliske glas afkøles fra en væske til et fast stof, sætter deres atomer sig i et tilfældigt arrangement og krystalliserer ikke, som traditionelle metaller gør. Men det er vanskeligt at forhindre atomer i at krystallisere, og enhver indsigt i deres virkemåde kan gå langt hen imod en mere effektiv produktion af metallisk glas.

"For at fremme fremstilling og brug af amorfe metaller kræves en grundlæggende og fuldstændig forståelse af deres størrelses- og temperaturafhængige deformation," skriver undersøgelsens forfattere.

I de sidste par årtier er det blevet veletableret, at i makroskopisk skala bevæger atomer sig i massevis, når de deformeres ved temperaturer, der tillader flow.

"De deformeres på en kollektiv måde, næsten som honning," sagde Schroers, Robert Higgin-professor i maskinteknik og materialevidenskab. "Du ser alle disse atomer på en måde bevæge sig kollektivt sammen."

Men hvad sker der, når prøver i nanoskala deformeres? Ved at bruge zirconiumkobber og andre metalliske glasprøver i en blød tilstand besluttede Schroers-laboratoriet at finde ud af det.

"Naijia Liu, den studerende i mit laboratorium, lavede mindre og mindre prøver, og på et tidspunkt kunne han vise, at de ikke deformeres på den måde længere," sagde Schroers. Ved prøvestørrelser på 100 nanometer eller mindre begyndte tingene at afvige fra standardreglerne.

Hvad de fandt var, at ved denne størrelse ville prøvernes kemiske sammensætning aldrig ændre sig, hvis atomerne fortsatte med at bevæge sig kollektivt. Det, der skete i stedet, var, at atomerne bevægede sig individuelt, og på et vist tidspunkt begyndte metallet at deformeres hurtigt.

"Så hvis du bliver mindre og mindre, så flyder atomerne, de flyder ikke længere. Det, de gør i stedet, er at rejse individuelt over overfladen."

Det er vigtigt, fordi atomer er kendt for at bevæge sig hurtigere på overfladen af ​​krystallinske materialer. Så jo mindre prøven er, jo større andel af materialet er på eller tæt på en overflade. For at deformere tager atomer en ekstra afstand ved at bruge en så hurtig overfladebane, da den tillader generel hurtigere deformation. Det er et indblik i et fysikområde, der stadig har mange ubesvarede spørgsmål.

"Vi ved stort set alt om krystaller, og vi ved stort set alt om gasser," sagde Schroers. "Men i det videnskabelige samfund kender vi ikke den flydende tilstand godt. Tingene bevæger sig for hurtigt, så observationsmetoder er udfordret, og da rækkefølgen i en væske er ikke-periodisk, kan vi ikke reducere problemet til en mindre enhed ."

Schroers' laboratorium fokuserer i øjeblikket på, hvilke legeringer der er mest lovende til at skabe metalliske glas med denne metode. "Legeringen bør omfatte lignende elementer, men ikke for ens, da skabelonen, som de vokser på, ellers ikke kan formes til et glas," sagde Schroers.

Udover den videnskabelige effekt af deres nye resultater, sagde Schroers, har undersøgelsen betydning på et teknologisk niveau. I stedet for den nuværende teknik til at undgå krystallisering gennem meget hurtig afkøling, giver disse resultater forskerne en ny metode til langsomt at dyrke metastabile materialer. Disse materialer omfatter metalliske glas og endda andre, som tidligere ikke var mulige at lave med andre teknikker.

Flere oplysninger: Naijia Liu et al., Størrelsesafhængig deformationsadfærd i amorfe metaller i nanostørrelse, der tyder på overgang fra kollektiv til individuel atomtransport, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41582-2

Leveret af Yale University