Als de meeste mensen aan keramiek denken, ze kunnen zich hun favoriete mok of een bloempot voorstellen. Maar moderne technologie zit vol geavanceerde keramiek, van silicium zonnepanelen tot keramische supergeleiders en biomedische implantaten.

Veel van die geavanceerde polykristallijne keramiek zijn combinaties van kristallijne korrels die, op microscopisch niveau, lijken op een stenen omheining die bij elkaar wordt gehouden met kalksteenmortel. Zoals dat hek, de sterkte van het keramiek wordt bepaald door de sterkte van de mortel - die in keramiek de korrelgrens is, of de gebieden waar de verschillende korrels samenkomen.

Eerder, de meeste onderzoekers geloofden dat de chemie van deze korrelgrenzen in keramiek erg stabiel was. Maar een nieuwe studie door materiaalwetenschappelijke ingenieurs aan de Universiteit van Wisconsin-Madison toont aan dat dit niet het geval is. In feite, in het belangrijke keramische materiaal siliciumcarbide, koolstofatomen verzamelen zich bij die korrelgrenzen wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan straling. De bevinding kan ingenieurs helpen de eigenschappen van keramiek beter te begrijpen en kan helpen bij het verfijnen van een nieuwe generatie keramische materialen.

De details van de studie verschijnen vandaag in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Sinds de jaren zeventig, onderzoekers zijn zich bewust van soortgelijke stralingsgeïnduceerde segregatie in metaallegeringen. Omdat metaalatomen vrijelijk elektronen delen, ze kunnen gemakkelijk mengen en ontmengen. Wanneer ze worden gebombardeerd door ionenstraling, sommige atomen in de metalen zullen op hun plaats vallen en naar de korrelgrenzen gaan, en als verschillende soorten atomen met verschillende snelheden bewegen, de chemie van de legering kan worden gewijzigd.

Atomen in keramiek zijn erg selectief over met welke buren ze zich binden en de bindingen zijn veel sterker dan in metalen. Dat is de reden waarom onderzoekers dachten dat deze atomen niet onderhevig waren aan hetzelfde type segregatie. Maar toen Izabela Szlufarska, een professor in materiaalkunde en techniek aan UW-Madison, begon nauwkeurig te kijken naar de korrelgrenzen van siliciumcarbide, dat is niet wat ze vond.

"In siliciumcarbide, het silicium en koolstof willen echt aan elkaar worden gekoppeld; ze willen 50 procent koolstof en 50 procent silicium zijn, " ze zegt.

Echter, toen haar team simulaties uitvoerde en ook de korrelgrenzen in beeld bracht, de koolstofconcentratie was slechts 45 procent aan de grenzen. "De chemie was gewoon niet goed, "zegt ze. "Dat was de eerste verrassing, omdat dit materiaal echt atomen wil hebben besteld."

Dit suggereerde dat siliciumcarbide ook gevoelig zou kunnen zijn voor door straling geïnduceerde segregatie. Dus Szlufarska en haar team bestookten de stof met ionenstraling, vinden dat tussen 300 graden Celsius en 600 graden Celsius, de korrelgrenzen ervaren koolstofverrijking.

Op die energieniveaus, de straling zorgt ervoor dat sommige koolstofatomen op hun plaats springen, het creëren van een paar defecten in het siliciumcarbide, waaronder een lege plek die een vacature wordt genoemd en een los koolstofatoom dat een interstitiële wordt genoemd. Die niet-gehechte interstitiële atomen migreren naar de korrelgrenzen waar ze zich ophopen, die de chemie van het materiaal beïnvloeden.

Naast het feit dat onderzoekers gewoon niet geloofden dat dit soort segregatie in keramiek zou kunnen plaatsvinden, Szlufarska zegt dat, tot voor kort, ze misten ook de tools om het fenomeen zelfs maar te onderzoeken. Na een nauwgezette fabricage en voorbereiding van de bikristallen van siliciumcarbide, state-of-the-art scanning transmissie-elektronenmicroscopie, uitgevoerd bij UW-Madison en Oak Ridge National Laboratory, stelde het team in staat om de chemische samenstelling langs de korrelgrenzen op te lossen.

Het team denkt dat het fenomeen zich waarschijnlijk ook in andere polykristallijne keramiek zal voordoen. Het proces is een tweesnijdend zwaard:aan de ene kant, stralingsgeïnduceerde segregatie betekent dat keramiek onderhevig is aan dezelfde soorten schade en achteruitgang aan hun korrelgrenzen als metaallegeringen, maar bij verschillende temperaturen. Anderzijds, de segregatie kan nuttig zijn in materiaaltechniek om gespecialiseerde versies van keramiek zoals siliciumcarbide te produceren, dat wordt gebruikt in kernenergie, straalmotoren en andere hightech toepassingen.

"Misschien kan de straling worden gebruikt als een hulpmiddel om de korrelgrenschemie te verfijnen, " zegt Xing Wang, studie co-auteur en een professor aan de Pennsylvania State University die aan het onderzoek werkte terwijl hij promoveerde aan UW-Madison. "Dat kan ons in de toekomst van pas komen."