Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben ontdekt hoe kan worden voorkomen dat scheuren ontstaan ​​en zich verspreiden over vaste oppervlakken van vliegtuigen en elektronische apparaten.

Het team, onder leiding van professor nano-engineering Michael Demkowicz, publiceerde hun bevindingen op 10 oktober 2022 in het tijdschrift Nature Materials.

"Als we de oorsprong van mechanische breuken begrijpen, kunnen we manieren ontwerpen om falen in de kinderschoenen te stoppen", zegt Demkowicz.

Demkowicz en zijn medewerkers onderzochten hoe breuken beginnen bij kristaldefecten op nanoschaal op vaste oppervlakken. Eenmaal ontstaan, kunnen deze scheuren groeien zonder dat er weinig tot geen kracht op het materiaal wordt uitgeoefend, waardoor apparaten onbruikbaar of zelfs gevaarlijk worden.

Het team merkte op dat het breukproces bij het kristaldefect zeer dynamisch is en veranderingen in de onderliggende atomaire binding met zich meebrengt. Ze maakten observaties met een geavanceerde scanning-tunnelingmicroscoop die cryogene eigenschappen bij lage temperaturen combineert met mechanische vervorming en een uniek vermogen om veranderingen in de elektronische structuur van het materiaal op atomaire schaal te onderzoeken.

"Onze scanningsonde combineert een reeks experimentele methoden om mechanisch gedrag en elektronische verschijnselen op nanoschaal te monitoren onder extreme omstandigheden, wat voorheen onmogelijk was", zegt Demkowicz.

Door directe visualisatie van het breukgedrag en de elektronische eigenschappen koppelde het team breukprocessen aan de kwantumaard van de onderliggende atomaire structuur.

Door de bindingen aan de scheurpunt op nanoschaal chemisch te veranderen, kon het team voorkomen dat de scheur zich voortplantte, waardoor de taaiheid van het materiaal werd verbeterd.

De onderzoekers suggereren dat de resultaten nieuwe richtingen kunnen bieden voor het ontwerp en de ontwikkeling van mechanisch robuuste materialen en apparaten die in een breed scala aan toepassingen worden gebruikt, van vliegtuigen tot biomedische implantaten en elektronische apparaten.

"Deze ontdekking benadrukt het feit dat de oorsprong van breuken zeer dynamisch is, en stelt ons in staat routes te bedenken voor technische materialen en apparaatgeometrieën die bestand zijn tegen falen", aldus Demkowicz.

Referentie :

Kaitlin O'Brien, Benjamin J. McEnaney, Michael J. Cawkwell, James Ciston en Michael J. Demkowicz, "Onderdrukking van breuken op nanoschaal door chemische controle van de elektronische structuur van crack-tip", Nature Materials (10 oktober 2022). DOI:10.1038/s41563-022-01334-0.