Al bijna 100 jaar, wetenschappers dachten dat ze alles begrepen wat er te weten viel over hoe metalen buigen. Ze hadden het mis.

Materiaalwetenschappelijke en technische onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben aangetoond dat de regels voor het buigen van metalen toch niet zo hard en snel zijn. Ze beschreven hun bevindingen op 9 augustus in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Hun verrassende ontdekking zet niet alleen eerdere opvattingen over hoe metalen vervormen om, maar zou kunnen helpen bij het creëren van sterkere, duurzamere materialen.

"Dit creëert nieuwe mogelijkheden voor materiaalontwerp, " zegt Izabela Szlufarska, een professor in materiaalkunde en techniek aan UW-Madison. "Het voegt een andere parameter toe die we kunnen controleren om sterkte en ductiliteit mogelijk te maken."

Ductiliteit is het vermogen van een metaal om te buigen. De meeste benaderingen om de sterkte van een metaal te vergroten, gaan ten koste van de flexibiliteit - en naarmate metalen beter bestand worden tegen buigen, ze hebben meer kans om te barsten onder druk.

Echter, het nieuwe buigmechanisme van de onderzoekers zou ingenieurs in staat kunnen stellen een materiaal te versterken zonder het risico op breuken te lopen.

Het is een vooruitgang die in het bijzonder van belang is voor het Amerikaanse leger, die dringend behoefte heeft aan sterke en duurzame materialen om troepen veilig te houden in gevechtszones.

"Professor Szlufarska heeft een geheel nieuw onderzoeksgebied geopend voor de verwerking en het ontwerp van structurele materialen, " zei Michaël Bakas, programmamanager voor synthese en verwerking bij Army Research Office in het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory. "Door zo'n impactvolle ontdekking te doen, Professor Szlufarska heeft mogelijk de technische basis gelegd voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie geavanceerde structurele materialen die uiteindelijk kunnen worden gebruikt in toekomstige legeruitrusting en voertuigen."

Ingenieurs manipuleren doorgaans de sterkte van een metaal door middel van technieken zoals koud werken of gloeien, die hun effecten uitoefenen door kleine, maar belangrijk, structurele onregelmatigheden die dislocaties worden genoemd.

"Iedereen in de metaalgemeenschap weet dat dislocaties cruciaal zijn, ', zegt Szlufarska.

Het is een gemeenplaats die al sinds 1934 geldt, toen drie onderzoekers zich onafhankelijk realiseerden dat dislocatie een eeuwenoude paradox verklaarde:metalen zijn veel gemakkelijker te buigen dan hun moleculaire structuren - die meestal de vorm aannemen van regelmatig herhalende driedimensionale rasters - zouden suggereren.

Dislocaties zijn kleine onregelmatigheden in het anders goed geordende kristalrooster van een metaal. Ze komen voort uit kleine mismatches - stel de pagina's van een boek voor als rijen atomen, en stel je voor hoe de nette stapel papier steeds een beetje vervormd raakt op de plek waar iemand een bladwijzer invoegt.

Normale metalen buigen omdat dislocaties kunnen bewegen, waardoor een materiaal kan vervormen zonder elke afzonderlijke binding in zijn kristalrooster in één keer uit elkaar te scheuren.

Versterkingstechnieken beperken doorgaans de beweging van dislocaties. Het was dus nogal een schok toen Szlufarska en collega's ontdekten dat het materiaal samarium-kobalt - bekend als een intermetallisch - gemakkelijk verbogen, ook al waren de dislocaties op hun plaats vergrendeld.

"Men geloofde dat metalen materialen intrinsiek bros zouden zijn als dislocatieslip zeldzaam is, " zegt Hubin Luo, een voormalig stafwetenschapper in het laboratorium van Szlufarska, nu werkzaam bij het Ningbo Institute of Industrial Technology in China. "Echter, onze recente studie toont aan dat een intermetallisch plastisch aanzienlijk kan worden vervormd, zelfs als de dislocatieslip afwezig is."

In plaats daarvan, buigend samariumkobalt veroorzaakte de vorming van smalle banden in het kristalrooster, waar moleculen een vrije vorm "amorfe" configuratie aannamen in plaats van de reguliere, rasterachtige structuur in de rest van het metaal.

Die amorfe banden lieten het metaal buigen.

"Het is bijna als smering, " zegt Szlufarska. "We hebben dit voorspeld in simulaties, en we zagen ook de amorfe afschuifbanden in onze vervormingsstudies en transmissie-elektronenmicroscopie-experimenten."

Een combinatie van computationele simulaties en experimentele studies was van cruciaal belang om het verbijsterende resultaat te verklaren, daarom waren Szlufarska en haar groep bij uitstek geschikt om het mysterie te ontrafelen.

"Het is vaak gemakkelijker om theoretische simulaties uit te voeren om bestaande experimentele resultaten te verklaren, " zegt Hongliang Zhang, een UW-Madison postdoctoraal onderzoeker. "Hier, we voorspelden eerst theoretisch het bestaan ​​van afschuifbanden en hun rol in plasticiteit in samariumkobalt; dit waren volkomen verrassende verschijnselen. We hebben deze resultaten vervolgens experimenteel bevestigd met veel verschillende soorten experimenten om onze theorie te testen en om er zeker van te zijn dat het voorspelde fenomeen inderdaad in de natuur kan worden waargenomen."

De onderzoekers zijn van plan op zoek te gaan naar andere materialen die ook op deze eigenaardige manier kunnen buigen. Eventueel, ze hopen het fenomeen te gebruiken om de eigenschappen van een materiaal af te stemmen op sterkte en flexibiliteit.

"Dit kan de manier waarop je zoekt naar optimalisatie van materiaaleigenschappen veranderen, " zegt Szlufarska. "We weten dat het anders is, we weten dat het nieuw is, en we denken dat we het kunnen gebruiken."