Een wetenschapper en medewerkers van het Lawrence Livermore National Laboratory hebben de allereerste "defectmicroscoop" gedemonstreerd die kan volgen hoe populaties van defecten diep in macroscopische materialen collectief bewegen.

Het onderzoek, verschijnt vandaag in wetenschappelijke vooruitgang , toont een klassiek voorbeeld van een dislocatie (lijndefect) grens, laat vervolgens zien hoe dezelfde defecten zich exotisch verplaatsen net aan de rand van smelttemperaturen.

"Dit werk is een grote stap voorwaarts voor de materiaalwetenschap, natuurkunde en aanverwante gebieden, omdat het een unieke nieuwe manier biedt om de 'tussenschalen' te bekijken die microscopische defecten verbinden met de bulkeigenschappen die ze veroorzaken, " zei Leora Dresselhaus-Marais, een voormalige Lawrence-fellow en nu assistent-professor Materials Science and Engineering aan de Stanford University.

Het verbinden van de microscopische defecten van een bulkmateriaal met zijn macroscopische eigenschappen is een eeuwenoud probleem in de materiaalkunde. Het is bekend dat langeafstandsinteracties tussen dislocaties een sleutelrol spelen in hoe materialen vervormen of smelten, maar wetenschappers hadden tot nu toe niet de tools om deze dynamiek te verbinden met de macroscopische eigenschappen.

Defecten liggen ten grondslag aan veel van de mechanische, thermische en elektronische eigenschappen van materialen. Een prominent voorbeeld is de dislocatie, dat is een verlengd lineair defect in het atomaire rooster waardoor kristallijne materialen permanent van vorm kunnen veranderen onder belasting. Het bereik van hardheid en verwerkbaarheid in ductiele materialen ontstaat vanwege de manier waarop hun dislocaties kunnen bewegen en op elkaar inwerken.

In het nieuwe onderzoek het team gebruikte in de tijd opgeloste donkerveld-röntgenmicroscopie (DFXM) om direct te visualiseren hoe dislocaties bewegen en interageren over honderden micrometers diep in bulkaluminium. Met realtime films, ze toonden aan dat de thermisch geactiveerde beweging en interacties van dislocaties die een grens vormen en laten zien hoe verzwakte bindende krachten de structuur destabiliseren bij 99 procent van de smelttemperatuur.

Het team loste de individuele en collectieve beweging van de dislocaties op in een dislocatiegrens (DB) onder het oppervlak van monokristallijn aluminium. Hun afbeeldingen brengen in kaart hoe de DB langs een zeer lage hoekgrens migreert terwijl deze wordt verwarmd van 97 procent tot 99 procent van de smelttemperatuur (660 graden Celsius). Vervolgens zoomden ze in op hoe dislocaties de grens binnenkomen en verlaten, waardoor twee DB-segmenten samensmelten en stabiliseren tot één samenhangende structuur. Naarmate de DB vervolgens migreert en de afstand tussen dislocaties vergroot, ze zagen hoe de grens destabiliseerde.

"Door thermisch geactiveerde dynamiek te visualiseren en te kwantificeren die voorheen beperkt was tot theorie, we demonstreren een nieuwe klasse van bulkmetingen die nu toegankelijk is met tijdopgeloste DFXM, biedt belangrijke kansen op het gebied van materiaalwetenschap, ', aldus Dresselhaus-Marais.

Het team omvat ook wetenschappers van de Technische Universiteit van Denemarken, Nationale veiligheidssite van Nevada, CEA Grenoble, Universität für Bodenkultur Wien in Wenen en de European Synchrotron Radiation Facility. Het werk werd gefinancierd door LLNL's Lawrence Fellowship en financiering van het Laboratory Directed Research and Development-programma.