De meeste metalen en halfgeleiders, van het staal in een mes tot het silicium in een zonnepaneel, zijn opgebouwd uit vele kleine kristallijne korrels. De manier waarop deze korrels aan hun randen samenkomen, kan een grote invloed hebben op de eigenschappen van de vaste stof, inclusief mechanische sterkte, elektrische geleiding, Thermische eigenschappen, flexibiliteit, enzovoort.

Wanneer de grenzen tussen de korrels van een bepaald type zijn, een coherente tweelinggrens (CTB) genoemd, dit voegt nuttige eigenschappen toe aan bepaalde materialen, vooral op nanoschaal. Het vergroot hun kracht, het materiaal veel sterker maken met behoud van zijn vermogen om te worden vervormd, in tegenstelling tot de meeste andere processen die kracht toevoegen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben een nieuw vervormingsmechanisme ontdekt van deze tweelingkristalgrenzen, wat ingenieurs zou kunnen helpen erachter te komen hoe ze CTB's nauwkeuriger kunnen gebruiken om de eigenschappen van sommige materialen af ​​te stemmen.

Tegen de verwachting in, het blijkt dat de kristalkorrels van een materiaal soms langs deze CTB's kunnen glijden. De nieuwe bevinding wordt beschreven in een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie door Ming Dao, een hoofdonderzoeker bij de afdeling Materials Science and Engineering van MIT; Subra Suresh, de emeritus hoogleraar engineering van Vannevar Bush en kandidaat-president van de Nanyang Technological University in Singapore; Ju Li, de Battelle Energy Alliance-hoogleraar aan de afdeling Nuclear Science and Engineering van het MIT; en zeven anderen aan het MIT en elders.

Terwijl elke kristalkorrel bestaat uit een geordende driedimensionale reeks atomen in een roosterstructuur, CTB's zijn plaatsen waar, aan de twee kanten van een grens, het rooster vormt een spiegelbeeld van de constructie aan de andere kant. Elk atoom aan weerszijden van de coherente tweelinggrens komt exact overeen met een atoom op een spiegelsymmetrische locatie aan de andere kant. Veel onderzoek in de afgelopen jaren heeft aangetoond dat roosters die CTB's op nanoschaal bevatten, veel sterker kunnen zijn dan hetzelfde materiaal met willekeurige korrelgrenzen, zonder een andere nuttige eigenschap, ductiliteit genaamd, te verliezen, die het vermogen van een materiaal om te worden uitgerekt beschrijft.

Sommige eerdere onderzoeken suggereerden dat deze tweelingkristalgrenzen niet kunnen verschuiven vanwege het beperkte aantal defecten. Inderdaad, er zijn nog geen experimentele waarnemingen van dergelijke verschuivingen gemeld bij kamertemperatuur. Nutsvoorzieningen, een combinatie van theoretische analyse en experimenteel werk gerapporteerd in de Natuurcommunicatie papier heeft aangetoond dat in feite onder bepaalde soorten belastingen kunnen deze korrels langs de grens glijden. Het begrijpen van deze eigenschap is belangrijk voor het ontwikkelen van manieren om materiaaleigenschappen te ontwikkelen om ze te optimaliseren voor specifieke toepassingen, zegt Dao.

"Veel zeer sterke nanokristallijne materialen [met korrelgroottes gemeten in minder dan 100 nanometer] hebben een lage ductiliteit en vermoeiingseigenschappen, en mislukking groeit vrij snel met weinig uitrekken, "zegt hij. Omgekeerd, in de metalen waarin CTB's zijn verwerkt, dat "verbetert de sterkte en behoudt de goede ductiliteit." Maar begrijpen hoe deze materialen zich gedragen wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende mechanische belastingen, is belangrijk om ze te kunnen gebruiken voor structurele toepassingen. Voor een ding, het betekent dat de manier waarop het materiaal vervormt nogal ongelijk is:vervormingen in de richting van de vlakken van de CTB's kunnen veel gemakkelijker optreden dan in andere richtingen.

Het experiment werd uitgevoerd met koper, maar de resultaten zouden van toepassing moeten zijn op sommige andere metalen met vergelijkbare kristalstructuren, zoals goud, zilver, en platina. Deze materialen worden veel gebruikt in elektronische apparaten, zegt Dao. "Als je deze materialen ontwerpt" met structuren in het groottebereik dat in dit werk wordt onderzocht, die kenmerken omvat die kleiner zijn dan een paar honderd nanometer, "Je moet op de hoogte zijn van dit soort vervormingsmodi."

de glijdende, eenmaal begrepen, kan voor aanzienlijke voordelen worden gebruikt. Bijvoorbeeld, onderzoekers konden extreem sterke nanostructuren ontwerpen op basis van de bekende oriëntatie-afhankelijkheid; of door het type en de richting van de kracht te kennen die nodig is om het glijden te starten, misschien is het mogelijk om een ​​apparaat te ontwerpen dat geactiveerd kan worden, zoals een alarm, als reactie op een bepaald stressniveau.

"Deze studie bevestigde CTB-glijden, die voorheen voor onmogelijk werd gehouden, en de bijzondere rijomstandigheden, " zegt Zhiwei Shan, een senior co-auteur en decaan van de School of Materials Science and Engineering aan de Xi'an Jiao Tong University in China. "Er kunnen veel dingen mogelijk worden wanneer voorheen onbekende activerings- of activeringsvoorwaarden worden ontdekt."

"Dit werk heeft door zowel systematische experimenten als analyse het voorkomen van een belangrijk mechanisch kenmerk geïdentificeerd dat alleen wordt gevonden in bepaalde speciale soorten interfaces en op nanoschaal. Aangezien dit fenomeen mogelijk van toepassing kan zijn op een breed scala aan kristallijne materialen, men kan zich nieuwe benaderingen voor het ontwerpen van materialen voorstellen waarbij nanostructuren betrokken zijn om een ​​verscheidenheid aan mechanische en functionele kenmerken te optimaliseren, ' zegt Suresh.

"Deze ontdekking zou ons begrip van plastische vervorming in nanotwinned metalen fundamenteel kunnen veranderen en zou van breed belang moeten zijn voor de materiële onderzoeksgemeenschap, " zegt Huajian Gao, de Walter H. Annenberg Professor of Engineering aan de Brown University, die niet bij dit werk betrokken was.

Gao voegt eraan toe dat "CTB's de sleutel zijn tot het ontwikkelen van nieuwe nanotwinned materialen met superieure mechanische en fysieke eigenschappen zoals sterkte, ductiliteit, taaiheid, elektrische geleiding, en thermische stabiliteit. Dit document vergroot onze kennis op dit gebied aanzienlijk door grootschalige verschuiving van CTB's te onthullen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.