Ingenieurs van Rice University die processen op atoomschaal nabootsen om ze groot genoeg te maken om te zien, hebben gemodelleerd hoe afschuiving de korrelgrenzen in polykristallijne materialen beïnvloedt.

Dat de grenzen zo gemakkelijk kunnen veranderen, was niet helemaal een verrassing voor de onderzoekers, die draaiende arrays van magnetische deeltjes gebruikten om te zien wat ze vermoeden dat er gebeurt op het grensvlak tussen verkeerd uitgelijnde kristaldomeinen.

Volgens Sibani Lisa Biswal, een professor in chemische en biomoleculaire engineering aan Rice's George R. Brown School of Engineering, en afgestudeerde student en hoofdauteur Dana Lobmeyer, kan grensvlakverschuiving op de kristal-leegtegrens inderdaad bepalen hoe microstructuren evolueren.

De techniek gerapporteerd in Science Advances kan ingenieurs helpen bij het ontwerpen van nieuwe en verbeterde materialen.

Voor het blote oog lijken gewone metalen, keramiek en halfgeleiders uniform en solide. Maar op moleculaire schaal zijn deze materialen polykristallijn, gescheiden door defecten die bekend staan ​​als korrelgrenzen. De organisatie van deze polykristallijne aggregaten bepaalt eigenschappen als geleidbaarheid en sterkte.

Onder uitgeoefende spanning kunnen korrelgrenzen worden gevormd, herconfigureerd of zelfs geheel verdwijnen om aan nieuwe omstandigheden tegemoet te komen. Hoewel colloïdale kristallen zijn gebruikt als modelsystemen om grenzen te zien bewegen, was het beheersen van hun faseovergangen een uitdaging.

"Wat onze studie onderscheidt, is dat in de meeste colloïdale kristalstudies de korrelgrenzen zich vormen en stationair blijven," zei Lobmeyer. "Ze zijn in wezen in steen gebeiteld. Maar met ons roterende magnetische veld zijn de korrelgrenzen dynamisch en kunnen we hun beweging zien."

In experimenten induceerden de onderzoekers colloïden van paramagnetische deeltjes om 2D polykristallijne structuren te vormen door ze te spinnen met magnetische velden. Zoals onlangs in een eerdere studie is aangetoond, is dit type systeem zeer geschikt voor het visualiseren van faseovergangen die kenmerkend zijn voor atomaire systemen.

Hier zagen ze dat gas en vaste fasen naast elkaar kunnen bestaan, wat resulteert in polykristallijne structuren met deeltjesvrije gebieden. Ze toonden aan dat deze holtes fungeren als bronnen en putten voor de beweging van korrelgrenzen.

De nieuwe studie laat ook zien hoe hun systeem de al lang bestaande Read-Shockley-theorie van harde gecondenseerde materie volgt die de verkeerde oriëntatiehoeken en energieën voorspelt van korrelgrenzen met een lage hoek, die worden gekenmerkt door een kleine afwijking tussen aangrenzende kristallen.

Door een magnetisch veld op de colloïdale deeltjes aan te leggen, zorgde Lobmeyer ervoor dat de in ijzeroxide ingebedde polystyreendeeltjes zich samenvoegden en keek hoe de kristallen korrelgrenzen vormden.

"We begonnen meestal met veel relatief kleine kristallen," zei ze. "Na enige tijd begonnen de korrelgrenzen te verdwijnen, dus we dachten dat dit zou kunnen leiden tot een enkel, perfect kristal."

In plaats daarvan vormden zich nieuwe korrelgrenzen als gevolg van afschuiving op het grensvlak van de lege ruimte. Net als polykristallijne materialen volgden deze de desoriëntatiehoek en energievoorspellingen van Read en Shockley meer dan 70 jaar geleden.

"Graangrenzen hebben een aanzienlijke invloed op de eigenschappen van materialen, dus inzicht in hoe holtes kunnen worden gebruikt om kristallijne materialen te beheersen, biedt ons nieuwe manieren om ze te ontwerpen," zei Biswal. "Onze volgende stap is om dit afstembare colloïdale systeem te gebruiken om gloeien te bestuderen, een proces waarbij meerdere verwarmings- en koelcycli nodig zijn om defecten in kristallijne materialen te verwijderen."

De National Science Foundation (1705703) ondersteunde het onderzoek. Biswal is de William M. McCardell Professor in Chemical Engineering, een professor in chemische en biomoleculaire engineering en in materiaalkunde en nano-engineering. + Verder verkennen

Met behulp van elektronenmicroscopie en automatische atoom-tracking om meer te leren over korrelgrenzen in metalen tijdens vervorming