Johns Hopkins-onderzoekers hebben ontdekt dat, onder de juiste voorwaarden, nieuw ontwikkelde nanokristallijne materialen vertonen verrassende activiteit in de kleine ruimtes tussen de geometrische clusters van atomen, nanokristallen genaamd, waaruit ze zijn gemaakt.

Deze vonst, onlangs gedetailleerd in het journaal Wetenschap , is belangrijk omdat deze nanomaterialen steeds vaker voorkomen bij de fabricage van microdevices en geïntegreerde schakelingen. Beweging in het atomaire rijk kan de mechanische eigenschappen van deze futuristische materialen beïnvloeden - waardoor ze flexibeler en minder bros worden - en kan de levensduur van het materiaal veranderen.

"Omdat we steeds kleinere apparaten maken, we hebben meer nanokristallijne materialen gebruikt met veel kleinere kristallieten -- wat materiaalwetenschappers korrels noemen -- en waarvan wordt aangenomen dat ze veel sterker zijn, zei Kevin Hemker, professor en voorzitter van Mechanical Engineering aan de Whiting School of Engineering van Johns Hopkins en senior auteur van de Wetenschap artikel. "Maar we moeten meer begrijpen over hoe deze nieuwe soorten metalen en keramische componenten zich gedragen, vergeleken met traditionele materialen. Hoe voorspellen we hun betrouwbaarheid? Hoe kunnen deze materialen vervormen als ze worden blootgesteld aan stress?"

De experimenten, uitgevoerd door een voormalig niet-gegradueerde onderzoeksassistent en begeleid door Hemker, waren gericht op wat er gebeurt in regio's die korrelgrenzen worden genoemd. Een korrel of kristalliet is een kleine cluster van atomen die in een ordelijk driedimensionaal patroon zijn gerangschikt. De onregelmatige ruimte of interface tussen twee korrels met verschillende geometrische oriëntaties wordt de korrelgrens genoemd. Korrelgrenzen kunnen bijdragen aan de sterkte van een materiaal en helpen om plastische vervorming te weerstaan, een blijvende verandering van vorm. Nanomaterialen worden verondersteld sterker te zijn dan traditionele metalen en keramiek omdat ze kleinere korrels bevatten en, als resultaat, hebben meer korrelgrenzen.

De meeste wetenschappers hebben geleerd dat deze korrelgrenzen niet bewegen, een eigenschap die het materiaal helpt vervorming te weerstaan. Maar toen Hemker en zijn collega's experimenten uitvoerden op dunne nanokristallijne aluminiumfilms, het toepassen van een soort kracht genaamd schuifspanning, ze vonden een onverwacht resultaat. "We zagen dat de korrels groter waren geworden, wat alleen kan gebeuren als de grenzen verschuiven, " hij zei, "en het meest verrassende deel van onze observatie was dat het de schuifspanning was die de grenzen had doen verschuiven."

"Het oorspronkelijke uitzicht, "Hemker zei, "was dat deze grenzen waren als de muren in een huis. De muren en de kamers die ze creëren veranderen niet van grootte; de ​​enige activiteit is door mensen die in de kamer rondlopen. Maar onze experimenten toonden aan dat in deze nanomaterialen, wanneer je een bepaald soort kracht uitoefent, de kamers veranderen wel van grootte omdat de muren echt bewegen."

De ontdekking heeft gevolgen voor degenen die dunne films en andere nanomaterialen gebruiken om geïntegreerde schakelingen en micro-elektromechanische systemen te maken, gewoonlijk MEMS genoemd. De grensbeweging die Hemker en zijn collega's laten zien, betekent dat de nanomaterialen die in deze producten worden gebruikt waarschijnlijk meer plasticiteit hebben, hogere betrouwbaarheid en minder brosheid, maar ook verminderde kracht.

"Terwijl we steeds meer dingen op veel kleinere formaten gaan maken, we moeten rekening houden met hoe activiteit op atomair niveau de mechanische eigenschappen van het materiaal beïnvloedt, "Zei Hemker. "Deze kennis kan de makers van microdevices helpen bij het bepalen van de juiste maat voor hun componenten en kan leiden tot betere voorspellingen over hoe lang hun producten meegaan."