Metaalbewerkers hebben allerlei manieren om een ​​stuk metaal harder te maken. Ze kunnen het buigen, draai het, laat het tussen twee rollen lopen of sla erop met een hamer. Deze methoden werken door de korrelstructuur van het metaal te verbreken - de microscopische kristallijne domeinen die een groot stuk metaal vormen. Kleinere korrels zorgen voor hardere metalen.

Nutsvoorzieningen, een groep onderzoekers van de Brown University heeft een manier gevonden om metalen korrelstructuren van onder naar boven aan te passen. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Chemo , de onderzoekers laten een methode zien om individuele metalen nanoclusters samen te breken om solide macro-schaal brokjes massief metaal te vormen. Mechanische tests van de metalen vervaardigd met behulp van de techniek toonden aan dat ze tot vier keer harder waren dan natuurlijk voorkomende metalen structuren.

"Hamering en andere hardingsmethoden zijn allemaal top-down manieren om de korrelstructuur te veranderen, en het is erg moeilijk om de korrelgrootte die je krijgt te controleren, " zei Ou Chen, een assistent-professor scheikunde bij Brown en corresponderende auteur van het nieuwe onderzoek. "Wat we hebben gedaan, is het creëren van bouwstenen voor nanodeeltjes die samensmelten wanneer je ze samenknijpt. Op deze manier kunnen we uniforme korrelgroottes hebben die nauwkeurig kunnen worden afgestemd voor verbeterde eigenschappen."

Voor deze studie is de onderzoekers maakten "munten" op centimeterschaal met behulp van nanodeeltjes van goud, zilver, palladium en andere metalen. Artikelen van dit formaat kunnen nuttig zijn voor het maken van hoogwaardige coatingmaterialen, elektroden of thermo-elektrische generatoren (apparaten die warmtestromen omzetten in elektriciteit). Maar de onderzoekers denken dat het proces gemakkelijk kan worden opgeschaald om superharde metalen coatings of grotere industriële componenten te maken.

De sleutel tot het proces, Chen zegt, is de chemische behandeling die aan de bouwstenen van nanodeeltjes wordt gegeven. Metalen nanodeeltjes zijn meestal bedekt met organische moleculen die liganden worden genoemd. die in het algemeen de vorming van metaal-metaalbindingen tussen deeltjes voorkomen. Chen en zijn team hebben een manier gevonden om die liganden chemisch te verwijderen, waardoor de clusters samensmelten met slechts een beetje druk.

De metalen munten gemaakt met de techniek waren aanzienlijk harder dan standaard metaal, bleek uit het onderzoek. De gouden munten, bijvoorbeeld, waren twee tot vier keer moeilijker dan normaal. Andere eigenschappen zoals elektrische geleiding en lichtreflectie waren vrijwel identiek aan standaard metalen, vonden de onderzoekers.

De optische eigenschappen van de gouden munten waren fascinerend, Chen zegt, omdat er een dramatische kleurverandering was toen de nanodeeltjes werden samengeperst tot bulkmetaal.

"Vanwege wat bekend staat als het plasmonische effect, gouden nanodeeltjes zijn eigenlijk paars-zwart van kleur, ' zei Chen. 'Maar toen we druk uitoefenden, we zien deze paarsachtige clusters plotseling veranderen in een heldere gouden kleur. Dat is een van de manieren waarop we wisten dat we echt bulkgoud hadden gevormd."

In theorie, Chen zegt, de techniek kan worden gebruikt om elk soort metaal te maken. In feite, Chen en zijn team toonden aan dat ze een exotische vorm van metaal konden maken, bekend als metaalglas. Metalen glazen zijn amorf, wat betekent dat ze de regelmatig herhalende kristalstructuur van normale metalen missen. Dat levert opmerkelijke eigenschappen op. Metalen glazen zijn gemakkelijker te vormen dan traditionele metalen, kan veel sterker en scheurvaster zijn, en vertonen supergeleiding bij lage temperaturen.

"Metallisch glas maken uit een enkel onderdeel is notoir moeilijk om te doen, dus de meeste metalen glazen zijn legeringen, "Zei Chen. "Maar we waren in staat om te beginnen met amorfe palladium-nanodeeltjes en onze techniek te gebruiken om een ​​palladium-metaalglas te maken."

Chen zegt dat hij hoopvol is dat de techniek ooit op grote schaal kan worden gebruikt voor commerciële producten. De chemische behandeling die op de nanoclusters wordt gebruikt, is vrij eenvoudig, en de druk die wordt gebruikt om ze samen te persen, ligt ruim binnen het bereik van standaard industriële apparatuur. Chen heeft de techniek gepatenteerd en hoopt deze te blijven bestuderen.

"We denken dat er hier veel potentieel is, zowel voor de industrie als voor de wetenschappelijke onderzoeksgemeenschap, ' zei Chen.