(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het California Institute of Technology hebben een manier ontwikkeld om sommige notoir brosse materialen taai - maar sterker dan ooit - te maken door simpelweg hun afmetingen te verkleinen.

Het werk, door Dongchan Jang, senior postdoctoraal onderzoeker, en Julia R. Greer, universitair docent materiaalkunde en mechanica bij Caltech, kan uiteindelijk leiden tot de ontwikkeling van innovatieve, Super sterk, maar toch lichte en schadebestendige materialen. Deze nieuwe materialen kunnen worden gebruikt als componenten in structurele toepassingen, zoals in lichtgewicht ruimtevaartvoertuigen die langer meegaan onder extreme omgevingsomstandigheden en in marineschepen die bestand zijn tegen corrosie en slijtage.

Een artikel over het werk verschijnt in de online-editie van 7 februari van het tijdschrift Natuurmaterialen .

"Historisch, " zegt Greer, "constructiematerialen zijn altijd afhankelijk geweest van hun verwerkingsomstandigheden, en zijn daardoor 'slaven' van hun eigendommen geweest." keramiek is erg sterk, waardoor ze zeer geschikt zijn voor structurele toepassingen. Tegelijkertijd, deze materialen zijn erg zwaar, wat voor veel toepassingen problematisch is, en ze zijn extreem broos, wat minder dan ideaal is voor het dragen van zware lasten. In feite, zegt Greer, "ze falen catastrofaal onder mechanische belasting." Metalen en legeringen, anderzijds, zijn ductiel, en daarom onwaarschijnlijk zal versplinteren, maar ze missen de sterkte van keramiek.

Materiaalwetenschappers hebben een intrigerende klasse van materialen ontwikkeld die glasachtige metaallegeringen worden genoemd. die amorf zijn en de kristallijne structuur van traditionele metalen missen. De materialen, ook bekend als metalen glazen, zijn samengesteld uit willekeurige arrangementen van metalen elementen zoals zirkonium, titanium, koper, en nikkel. Ze zijn licht van gewicht - een "groot voordeel" voor hun integratie in nieuwe soorten apparaten, Greer zegt - en toch zijn ze qua sterkte vergelijkbaar met keramiek. Helaas, hun willekeurige structuur maakt metalen glazen behoorlijk broos. "Ze falen ook catastrofaal onder trekbelastingen, " ze zegt.

Maar nu Greer en Jang, de eerste auteur van het Nature Materials paper, hebben een strategie ontwikkeld om deze obstakels te overwinnen - door metalen glazen te maken die bijna verdwijnend klein zijn.

De wetenschappers bedachten een proces om zirkoniumrijke metalen glazen pilaren te maken met een diameter van slechts 100 nanometer - ongeveer 400 keer smaller dan de breedte van een mensenhaar. Op deze maat, Greer zegt, "de metalen glazen worden niet alleen nog sterker, maar ook ductiel, wat betekent dat ze kunnen worden vervormd tot een bepaalde rek zonder te breken. Sterkte plus taaiheid, " ze zegt, staat voor "een zeer lucratieve combinatie voor structurele toepassingen."

tot nu toe, er zijn geen directe toepassingen voor de nieuwe materialen, hoewel het mogelijk is om de nanopilaren te combineren tot arrays, die dan de bouwstenen zouden kunnen vormen van grotere hiërarchische structuren met de sterkte en taaiheid van de kleinere objecten.

Het werk, echter, "toont overtuigend aan dat 'grootte' met succes kan worden gebruikt als ontwerpparameter, " zegt Greer. "We gaan een nieuw tijdperk in materiaalwetenschap in, waar structurele materialen kunnen worden gemaakt, niet alleen door gebruik te maken van monolietstructuren, zoals keramiek en metalen, maar ook door er 'architectonische' kenmerken in te introduceren."

Bijvoorbeeld, Greer werkt aan het fabriceren van een "brick-and-mortar"-architectuur met behulp van kleine platen van een metallisch glas en ultrafijnkorrelig ductiel metaal met nanoschaaldimensies die vervolgens kunnen worden gebruikt om nieuwe technische composieten te fabriceren met versterkte sterkte en ductiliteit.

Om deze architectuurgestuurde benadering te gebruiken om structurele materialen te creëren met verbeterde eigenschappen, dat wil zeggen, bijvoorbeeld, Super sterk, maar toch licht en kneedbaar - onderzoekers moeten begrijpen hoe elk samenstellend onderdeel vervormt tijdens gebruik en onder stress.

"Onze bevindingen, " ze zegt, "een krachtige basis bieden voor het gebruik van componenten op nanoschaal, die in staat zijn zeer hoge belastingen te dragen zonder catastrofale storingen te vertonen, in structurele toepassingen op grote schaal, specifiek door architecturale en microstructurele controle op te nemen."

Greer voegt eraan toe:"Het bijzonder coole aspect van het experiment is dat het bijna onmogelijk is om te doen! Dongchan, mijn geweldige postdoc, was in staat om individuele 100 nanometer diameter trekvaste metalen glazen nanopillar monsters te maken, wat nog nooit iemand had gedaan, en vervolgens ons op maat gemaakte mechanische vervormingsinstrument ter plaatse gebruikt, sementor, om de experimenten uit te voeren. Hij maakte de monsters, testte ze, en analyseerde de gegevens. Samen hebben we de resultaten kunnen interpreteren en de fenomenologische theorie kunnen formuleren, maar de eer gaat helemaal naar hem."

Het werk in de Natuurmaterialen papier, "Overgang van een sterke maar brosse naar een sterkere en ductiele toestand door verkleining van metalen glazen, " werd gefinancierd door de National Science Foundation en het Office of Naval Research, en maakte gebruik van de fabricage- en karakteriseringsfaciliteiten van het Kavli Nanoscience Institute in Caltech.