Vervormingen op nanoschaal kunnen de experimenten met hoge precisie beïnvloeden, zoals de Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)

Een afgestudeerde Caltech-student heeft aangetoond dat materialen inelastische vervorming kunnen ondergaan voordat ze bezwijken, die van invloed kunnen zijn op het ontwerp van materialen, wat leidt tot sterkere en taaiere structuren.

Xiaouye Ni, die materiaalkunde studeert in het lab van Julia R. Greer, een Caltech-hoogleraar materiaalkunde en mechanica, heeft aangetoond dat metalen permanente vervorming ondergaan, zelfs voordat ze bezwijken - de drempel waarbij een materiaal onder spanning permanent wordt vervormd.

Bijvoorbeeld, neem een ​​metalen liniaal en buig deze een klein beetje. Wanneer je loslaat, het zal direct terugveren naar zijn oorspronkelijke vorm. Maar als je diezelfde liniaal neemt en hem zo hard mogelijk buigt, het zal een punt bereiken dat bekend staat als het vloeipunt waar het permanent gebogen blijft.

In de materiaalkunde, het meegevend fenomeen wordt als volgt verklaard:

Wanneer u een materiaal vervormt onder zijn vloeigrens, je bent gewoon tijdelijk de bindingen tussen de atomen aan het rekken. Er vindt geen permanente verandering plaats in de structuur op atomair niveau van het materiaal en de vervorming is volledig herstelbaar en onmiddellijk. Dit tijdelijk uitrekken wordt elastische vervorming genoemd.

Vervorm een ​​metaal voorbij zijn vloeigrens en je veroorzaakt de beweging van reeds bestaande lijndefecten bekend als dislocaties, die bijdragen aan de blijvende vervorming. De dislocaties bewegen door het kristalrooster, het creëren van meer dislocaties terwijl ze gaan en verstrikt raken in elkaar. De beweging van deze disclocatie resulteert in permanente plastische vervorming.

Het vloeipunt wordt meestal beschouwd als een discreet fenomeen, dat wil zeggen, dislocaties beginnen te bewegen wanneer een materiaal voorbij zijn vloeigrens wordt gespannen. Echter, Ni's gegevens laten zien dat er op atomair niveau, onomkeerbare veranderingen in de structuur van een materiaal zodra een materiaal begint te vervormen, lang voordat het zijn vloeigrens bereikt.

"Elke materiaalwetenschapper en elk leerboek ter wereld zal je vertellen dat wanneer je een materiaal vervormt - het een metaal kan zijn, hout, elke soort textiel, wat dan ook - het eerste dat optreedt, is elastische vervorming die onmiddellijk zal herstellen, "zegt Greer. "Het is de meest fundamentele overtuiging waar zowat elke opleiding in mechanische en materiaalwetenschappen op vertrouwt."

Om te onderzoeken wat er gebeurde in een materiaal onder spanning, Xiaouye fabriceerde koperen pilaren van 500 nanometer breed (een mensenhaar is 200 keer dikker) en drukte daarop met een diamanten stylus.

De stylus oefende vaste hoeveelheden druk uit die lager waren dan het vloeipunt van het koper en oscilleerde vervolgens lichtjes op en neer.

Wat ze ontdekte was dat na te zijn onderworpen aan die trillingen, de pilaren waren traag om terug te keren naar hun oorspronkelijke, onvervormde vorm.

"Als de vervorming puur elastisch was, dat zou niet gebeuren omdat het onmiddellijk zou herstellen, ' Zegt Xiaouye.

De trage reactie toonde aan dat de pilaren een interne weerstand hadden ontwikkeld, een kenmerk van inelastische vervorming.

"Wat de gegevens van Xiaouye laten zien, is dat vanaf het eerste moment dat je het begint te vervormen, de dislocaties beginnen actief te worden, " zegt Greer. Nu we weten hoe we dit moeten doen, we kunnen een verscheidenheid aan verschillende klassen materialen onderzoeken.

Xiaouye zegt dat de ontdekking waarschijnlijk toepassingen zal vinden in veel vakgebieden. "Je kunt deze handtekening gebruiken om te zien hoe dicht je bij het catastrofale faalpunt bent, " zegt Xiaouye. Ook voor uiterst nauwkeurige experimenten, zoals de Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) - die in 2016 voor het eerst zwaartekrachtgolven detecteerde - kunnen zelfs dislocaties op nanoschaal een geluid veroorzaken dat absoluut moet worden begrepen en verwijderd.

De studie, "Het onderzoeken van microplasticiteit in kleinschalige FCC-kristallen via dynamische mechanische analyse, " verscheen in het nummer van 14 april van Fysieke beoordelingsbrieven .