Onderzoekers van de Universiteit van Connecticut hebben ontdekt dat het verminderen van zuurstof in sommige nanokristallijne materialen hun sterkte en duurzaamheid bij verhoogde temperaturen kan verbeteren, een veelbelovende verbetering die zou kunnen leiden tot betere biosensoren, snellere straalmotoren, en halfgeleiders met een grotere capaciteit.

"Het stabiliseren van nanokristallen bij verhoogde temperaturen is een veelvoorkomende uitdaging, " zegt Peiman Shahbeigi-Roodposhti, een postdoctoraal onderzoeker bij UConn's Institute of Materials Science en de hoofdauteur van de studie. "In bepaalde legeringen, we ontdekten dat hoge zuurstofniveaus kunnen leiden tot een aanzienlijke vermindering van hun efficiëntie."

Met behulp van een speciaal freesproces in een afgesloten handschoenenkastje gevuld met argongas, UConn-wetenschappers, in samenwerking met onderzoekers van de North Carolina State University, waren in staat om nanokristallen van ijzer-chroom en ijzer-chroom-hafnium te synthetiseren met zuurstofniveaus van slechts 0,01 procent. Deze bijna zuurstofvrije legeringspoeders bleken veel stabieler dan hun commerciële tegenhangers met een hoger zuurstofgehalte bij verhoogde temperaturen en onder hoge stressniveaus.

"In dit onderzoek, Voor de eerste keer, optimale zuurstofvrije nanomaterialen ontwikkeld, " zegt Sina Shahbazmohamadi, een assistent-professor biomedische technologie aan de UConn en een co-auteur van het papier. "Verschillende karakteriseringstechnieken, inclusief geavanceerde aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscopie, onthulde een significante verbetering in de stabiliteit van de korrelgrootte bij verhoogde temperaturen."

De stabiliteit van de korrelgrootte is belangrijk voor wetenschappers die de volgende generatie geavanceerde materialen willen ontwikkelen. Als fijne schakels in een ingewikkeld geweven gaas, korrels zijn de kleine vaste stoffen waaruit metalen worden gemaakt. Studies hebben aangetoond dat kleinere korrels beter zijn als het gaat om het maken van sterkere en taaiere metalen die minder vatbaar zijn voor scheuren, betere geleiders van elektriciteit, en duurzamer bij hoge temperaturen en onder extreme belasting. Dankzij recente technologische vooruitgang hebben materiaalwetenschappers korrels kunnen ontwikkelen op een schaal van slechts 10 nanometer, die tienduizenden keren kleiner is dan de dikte van een vel papier of de breedte van een mensenhaar. Dergelijke nanokristallen kunnen alleen worden bekeken onder extreem krachtige microscopen.

Maar het proces is niet perfect. Wanneer sommige nanokorrels in bulk worden gemaakt voor toepassingen zoals halfgeleiders, de stabiliteit van hun grootte kan fluctueren bij hogere temperaturen en stress. Tijdens het onderzoek naar deze instabiliteit leerden Shahbeigi-Roodposhti en het onderzoeksteam van UConn de rol die zuurstof speelde bij het verzwakken van de stabiliteit van de nanokristallen bij hoge temperaturen.

"Dit is slechts een eerste stap, maar deze onderzoekslijn zou uiteindelijk kunnen leiden tot de ontwikkeling van snellere straalmotoren, meer capaciteit in halfgeleiders, en meer gevoeligheid in biosensoren, ', zegt Shahbeigi-Roodposhti.

Vooruit gaan, de UConn-onderzoekers zijn van plan hun theorie op andere legeringen te testen om te zien of de aanwezigheid of afwezigheid van zuurstof hun prestaties bij verhoogde temperaturen beïnvloedt.

De studie, "Effect van zuurstofgehalte op thermische stabiliteit van korrelgrootte voor nanokristallijne Fe10Cr- en Fe14Cr4Hf-legeringspoeders, " die werd ondersteund door financiering van het Amerikaanse ministerie van Energie, verschijnt momenteel online in de Dagboek van legeringen en verbindingen .