Van smeden die ijzer smeden tot ambachtslieden die glas blazen, mensen hebben eeuwenlang de eigenschappen van materialen veranderd om betere gereedschappen te maken - van ijzeren hoefijzers en zwaarden tot glazen potten en medicijnflesjes.

In het moderne leven, nieuwe materialen zijn gemaakt om de items van vandaag te verbeteren, zoals sterker staal voor wolkenkrabbers en betrouwbaardere halfgeleiders voor mobiele telefoons.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe benadering ontdekt om de vorming van deze materiële veranderingen op atomaire schaal en in bijna realtime te detailleren, een belangrijke stap die zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van betere en sterkere nieuwe materialen.

In een studie gepubliceerd op 16 januari in Natuurmaterialen , onderzoekers van Argonne's Advanced Photon Source, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, onthullen dat ze voor het eerst beelden hebben vastgelegd van het ontstaan ​​van structurele defecten in palladium wanneer het metaal wordt blootgesteld aan waterstof.

Deze beeldvormingscapaciteit zal onderzoekers helpen modellen te valideren die het gedrag van materialen voorspellen en hoe ze defecten vormen. Defect engineering is de praktijk van het opzettelijk creëren van defecten in een materiaal om de eigenschappen van het materiaal te veranderen. Deze kennis is de sleutel tot betere engineering, sterkere en betrouwbaardere materialen voor gebouwen, halfgeleiders, batterijen, technologische apparaten en vele andere items en gereedschappen.

"Defect engineering is gebaseerd op het idee dat je iets kunt nemen waarvan je de eigenschappen al kent en, door gebreken of onvolkomenheden aan te brengen, dingen ontwerpen met verbeterde eigenschappen, " zei Argonne geleerde Andrew Ulvestad, een van de auteurs van het onderzoek. "De praktijk is niet alleen van toepassing op metalen, maar op elk materiaal met een kristalstructuur, zoals die gevonden worden in zonnecellen en batterijkathoden."

Defect engineering wordt gebruikt om het materiaalontwerp op verschillende gebieden te optimaliseren, maar het wordt meestal geassocieerd met de ontwikkeling van halfgeleiders. Halfgeleidermaterialen, zoals silicium, worden gebruikt als elektrische componenten; ze vormen de basis voor de meeste van onze moderne elektronica, inclusief laptops en mobiele telefoons.

In een proces dat bekend staat als "doping, "fabrikanten creëren defecten in deze materialen door onzuiverheden toe te voegen om hun elektrische eigenschappen voor verschillende technologische toepassingen te manipuleren.

Hoewel fabrikanten weten dat ze de eigenschappen van verschillende materialen kunnen veranderen om de gewenste eigenschappen te krijgen, de processen die deze veranderingen sturen zijn niet altijd duidelijk.

Om het begrip van dergelijke processen te vergroten, Onderzoekers van Argonne richtten zich specifiek op defecten die zich op nanoschaal vormen. gebreken, interfaces en fluctuaties op dit zeer kleine niveau kunnen kritisch inzicht geven in de functionaliteiten van materialen, zoals hun thermische, elektronische en mechanische eigenschappen, op grotere schaal.

Om de vorming van defecten vast te leggen, het Argonne-team nam een ​​nanogestructureerd staal van palladium en injecteerde, of doordrenkt, het met waterstof onder hoge druk. Tegelijkertijd, ze stelden het monster bloot aan krachtige röntgenstralen bij de Advanced Photon Source.

Bij het raken van het palladiumkristal, de röntgenstralen verstrooid, en hun dispersiepatroon werd vastgelegd door een detector en gebruikt om de veranderingen in de positie van atomen in de palladiumstructuur te berekenen. Eigenlijk, dit proces stelde onderzoekers in staat om vervormingen in het materiaal te "zien".

"In sommige opzichten, we hebben de kans van één op een miljoen, omdat defecten in het kristal niet altijd voorkomen vanwege de complexe aard van het proces, " zei Argonne natuurkundige Ross Harder, een andere auteur in het onderzoek.

De veranderingen die in de scans worden getoond, illustreren de vele manieren waarop defecten de eigenschappen van materialen kunnen veranderen en hoe ze reageren op externe prikkels. Bijvoorbeeld, de gevormde defecten veranderden de druk waarbij palladium waterstof kon opslaan en afgeven, kennis die nuttig kan zijn voor waterstofopslag, detectie- en zuiveringstoepassingen, aldus de onderzoekers.

Defect engineering benaderingen worden al gebruikt om andere systemen te bestuderen, inclusief batterij kathode nanodeeltjes. Echter, de studie onder leiding van Ulvestad en Harder is de eerste die de vorming van defecten vastlegt terwijl ze zich voordoen.

"Wat we hebben gedaan, is een routekaart maken voor andere onderzoekers. We hebben ze een manier laten zien om dit systeem en systemen met een vergelijkbare dynamiek te modelleren, ' zei Ulvestad.