Metallische materialen die in de techniek worden gebruikt, moeten sterk en taai zijn - in staat om hoge mechanische belastingen te dragen en tegelijkertijd vervorming te weerstaan ​​zonder te breken. Of een materiaal zwak of sterk, taai of bros is, wordt echter niet alleen bepaald door de kristalkorrels waaruit het materiaal bestaat, maar eerder door wat er gebeurt in de ruimte ertussen die bekend staat als de korrelgrens. Ondanks tientallen jaren van onderzoek, blijven vervormingsprocessen op atomair niveau aan de korrelgrens ongrijpbaar, samen met het geheim van het maken van nieuwe en betere materialen.

Met behulp van geavanceerde microscopie in combinatie met nieuwe computersimulaties die atomaire beweging volgen, voerden onderzoekers van het Georgia Institute of Technology realtime observaties op atomair niveau uit van korrelgrensvervorming in poly-korrelige metalen materialen, polykristallijne materialen genaamd. Het team observeerde voorheen niet-herkende processen die materiaaleigenschappen beïnvloeden, zoals atomen die van het ene naar het andere vlak over een korrelgrens springen. Hun werk, gepubliceerd in Science deze maart verlegt de grenzen van sonderen op atomair niveau en maakt een dieper begrip mogelijk van hoe polykristallijne materialen vervormen. Hun werk opent nieuwe wegen voor het slimmer ontwerpen van nieuwe materialen voor extreme technische toepassingen.

"Het is verbazingwekkend om de stapsgewijze bewegingen van atomen te observeren en deze informatie vervolgens te gebruiken om het dynamische schuifproces van een korrelgrens met een complexe structuur te ontcijferen", zegt Ting Zhu, professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical. Engineering en een van de hoofdauteurs van het onderzoek, waaronder medewerkers van de Beijing University of Technology.

Om nieuwe en betere polykristallijne materialen te ontwikkelen, is het van cruciaal belang om te begrijpen hoe ze op atomair niveau vervormen. Het team streefde naar realtime observatie van korrelgrensverschuivingen, een bekende vorm van vervorming die een belangrijke rol speelt bij het bepalen van de sterkte en taaiheid van polykristallijne materialen. Ze kozen ervoor om met platina te werken omdat de kristalstructuur dezelfde is als andere veelgebruikte polykristallijne materialen zoals staal, koper en aluminium. Door platina te gebruiken, zouden hun resultaten en inzichten algemeen toepasbaar zijn op een breed scala aan materialen.

Een combinatie van nieuwe methoden

Er waren verschillende belangrijke innovaties nodig om het experiment uit te voeren. Het team gebruikte een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) om sterk vergrote beelden van atomen op korrelgrenzen vast te leggen. De TEM stuurt een elektronenstraal door een filmachtig platinamonster, dat door het team is bewerkt om dun genoeg te zijn voor elektronentransmissie. Ze ontwikkelden ook een klein testapparaat ter grootte van een millimeter dat mechanische kracht op een monster uitoefent en op de microscoop wordt bevestigd. De TEM en het apparaat werken samen om afbeeldingen op atomair niveau te maken van korrelgrenzen tijdens vervorming.

Om de korrelgrens op atomaire schaal duidelijker te zien verschuiven dan door alleen de TEM-afbeeldingen te bekijken, ontwikkelden de onderzoekers een geautomatiseerde methode voor het volgen van atomen. Deze methode labelt automatisch elk atoom in elk TEM-beeld en correleert ze vervolgens tussen afbeeldingen, waardoor het volgen van alle atomen en hun beweging tijdens het verschuiven van de korrelgrens mogelijk wordt. Ten slotte voerde het team computersimulaties uit van het verschuiven van de korrelgrens met behulp van atomaire structuren die uit de TEM-afbeeldingen waren geëxtraheerd. Het gesimuleerde glijden hielp het team bij het analyseren en interpreteren van gebeurtenissen die op atomaire schaal plaatsvonden. Door deze methoden te combineren, konden ze in realtime visualiseren hoe individuele atomen bewegen op een vervormende korrelgrens.

Resultaten

Hoewel bekend was dat korrelgrenzen verschuiven tijdens vervorming van polykristallijne materialen, onthulden realtime beeldvorming en analyse door Zhu en zijn team een ​​rijke verscheidenheid aan atomaire processen, waarvan sommige voorheen onbekend waren.

Ze merkten op dat tijdens vervorming twee aangrenzende korrels tegen elkaar schuiven en ervoor zorgden dat atomen van de ene kant van het korrelgrensvlak overgingen naar de andere. Dit proces, bekend als atomaire vliegtuigoverdracht, werd voorheen niet herkend. Ze merkten ook op dat lokale atomaire processen effectief de overgedragen atomen kunnen accommoderen door korrelgrensstructuren aan te passen, wat gunstig kan zijn voor het bereiken van een hogere ductiliteit. Beeldanalyse en computersimulaties toonden aan dat de mechanische belastingen hoog waren tijdens de atomaire processen, en dat dit de overdracht van atomen en atomaire vlakken vergemakkelijkte. Hun bevindingen suggereren dat het ontwerpen van de korrelgrenzen van fijnkorrelige polykristallen een belangrijke strategie is om materialen sterker en taaier te maken.

Vooruitkijken

Het aangetoonde vermogen van Zhu en zijn team om korrelgrensvervorming op atomaire schaal te observeren, te volgen en te begrijpen, opent meer onderzoeksmogelijkheden om interfaces en faalmechanismen in polykristallijne materialen verder te onderzoeken. Een beter begrip van vervorming op atomair niveau kan informatie geven over hoe materialen zich ontwikkelen tijdens korrelgrenstechniek, een noodzaak voor het creëren van uitzonderlijke sterkte- en ductiliteitscombinaties.

"We breiden onze aanpak nu uit om vervorming op atomaire schaal bij hogere temperaturen en vervormingssnelheden te visualiseren, op zoek naar betere materialen voor extreme toepassingen", zegt Xiaodong Han, een andere hoofdauteur van het artikel en een professor aan de Beijing University of Technology.

Zhu is van mening dat de gegevensrijke resultaten van hun realtime observaties en beeldvorming op atomair niveau kunnen worden geïntegreerd met machine learning voor dieper onderzoek naar materiaalvervormingen, en dit zou de ontdekking en ontwikkeling van materialen sneller kunnen versnellen dan eerder voor mogelijk werd gehouden.

"Ons werk toont het belang aan van het gebruik van microscopie met zeer hoge resolutie om materiaalgedrag op atomair niveau te begrijpen. Deze vooruitgang stelt onderzoekers in staat om materialen aan te passen voor optimale eigenschappen met behulp van atomair ontwerp", zei Zhu. + Verder verkennen

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