(PhysOrg.com) -- Materiaalwetenschappers weten dat de sterkte (of zwakte) van een metaal wordt bepaald door dislocatie-interacties, een rommelige uitwisseling van elkaar kruisende breuklijnen die bewegen of rimpelen in metalen kristallen. Maar wat gebeurt er als metalen op nanoschaal worden ontwikkeld? Is er een manier om metalen sterker en taaier te maken door hun nanostructuren te manipuleren?

Wetenschappers van Brown University hebben misschien een manier bedacht. In een paper gepubliceerd in Natuur , Huajian Gao en onderzoekers van de Universiteit van Alabama en China rapporteren een nieuw mechanisme dat de pieksterkte van nanogestructureerde metalen regelt. Door 3D-atoomsimulaties uit te voeren van verdeelde korrels van nanogestructureerde metalen, Gao en zijn team merkten op dat dislocaties zich organiseren in zeer geordende, kettingachtige patronen door het hele materiaal. De nucleatie van dit dislocatiepatroon bepaalt de pieksterkte van materialen, melden de onderzoekers.

De bevinding zou de deur kunnen openen naar het produceren van sterkere, meer ductiele metalen, zei Gao, hoogleraar techniek aan Brown. "Dit is een nieuwe theorie die kracht in materiaalwetenschap regeert, " voegde hij eraan toe. "Het belang ervan is dat het een nieuw mechanisme van materiaalsterkte onthult dat uniek is voor nanogestructureerde materialen."

Verdeel een korrel metaal met behulp van een gespecialiseerde techniek, en de stukken kunnen grenzen onthullen binnen het graan dat wetenschappers tweelinggrenzen noemen. Deze zijn over het algemeen vlak, kristaloppervlakken die de kristaloriëntaties over hen weerspiegelen. De Chinese auteurs creëerden nanotwinned-grenzen in koper en analyseerden de ruimte tussen de grenzen toen ze een interessante observatie deden:het koper werd sterker naarmate de ruimte tussen de grenzen afnam van 100 nanometer, uiteindelijk een piek van sterkte bereiken bij 15 nanometer. Echter, toen de afstand afnam van 15 nanometer, het metaal werd zwakker.

"Dit is heel raadselachtig, ' zei Gao.

Dus Gao en Brown, afgestudeerde student Xiaoyan Li, groeven een beetje verder. De Brown-wetenschappers reproduceerden het experiment van hun medewerkers in computersimulaties met 140 miljoen atomen. Ze gebruikten een supercomputer van het National Institute for Computational Sciences in Tennessee, waardoor ze de tweelinggrenzen op atomaire schaal konden analyseren. Tot hun verbazing, ze zagen een geheel nieuw fenomeen:een zeer geordend dislocatiepatroon gecontroleerd door nucleatie had de macht gekregen en dicteerde de sterkte van het koper. Het patroon werd gekenmerkt door groepen atomen nabij de dislocatiekern en geassembleerd in zeer geordende, ketting-achtige patronen.

"Ze zitten elkaar niet in de weg. Ze zijn erg georganiseerd, ' zei Gao.

Van de experimenten en de computermodellering, de onderzoekers theoretiseren dat op nanoschaal, dislocatiekiemvorming kan het leidende principe worden bij het bepalen van de sterkte of zwakte van een metaal. De auteurs presenteerden een nieuwe vergelijking in de Nature-paper om het principe te beschrijven.

"Ons werk biedt voor het eerst een concreet voorbeeld van een brongestuurd vervormingsmechanisme in nanogestructureerde materialen en, als zodanig, kan worden verwacht dat het een diepgaande invloed zal hebben op het gebied van materiaalkunde, ' zei Gao.