Onderzoekers van het Technion hebben de aard van nanometerdikke lagen tussen verschillende materialen ontdekt en ontdekten dat ze zowel vaste als vloeibare eigenschappen hebben. Door het zo te doen, de onderzoekers maakten een cruciale aanvulling op Gibbs' theorie die de fundamentele aspecten van de thermodynamica van interfaces beschrijft.

Het onlangs gepubliceerde artikel in Wetenschap toont experimenteel aan dat de vorming van een zeer dunne laag (in de orde van één nanometer dik) op grensvlakken de grensvlak-energie vermindert, en bevordert de hechting en stabiliteit van het grensvlak. De dunne laag is geen conventionele toestand van materie, omdat het noch vast noch vloeibaar is, maar eerder iets er tussenin.

De resultaten kunnen wetenschappers in staat stellen de veerkracht van de binding tussen keramische materialen en metalen te verbeteren, twee soorten materialen die “niet graag” in contact komen. De vele toepassingen in de echte wereld omvatten snijgereedschappen voor metaalbewerking; composieten voor remblokken; de verbindingen tussen metalen geleidende draden en chips in computers; en het aanbrengen van beschermende keramische coatings op straalmotorbladen.

“Tot nu toe, niemand had kunnen begrijpen waarom deze dunne lagen bestaan, of als ze een tijdelijke of een evenwichtstoestand waren, ” legt prof. Wayne D. Kaplan uit, Decaan van de afdeling Materials Engineering aan het Technion. "Terwijl hun bestaan ​​op grensvlakken tussen keramische kristallen en op het oppervlak van ijs bekend was, er was een voortdurend debat over de oorzaak van dit fenomeen en de eigenschappen ervan."

Door een lange reeks experimenten, Dr. Mor Baram bewees dat er een dunne laag bestaat op het grensvlak tussen metalen en keramische materialen, wat de interface-energie vermindert. Het onderzoek was het promotiewerk van Dr. Baram, en werd uitgevoerd onder toezicht van Prof. Kaplan in samenwerking met Dr. Dominique Chatain van CNRS in Frankrijk.

“Dit fenomeen stelt ons in staat om te schaatsen, vermindert de mechanische eigenschappen van keramische materialen bij hoge temperaturen, beïnvloedt de morfologie van kristallen in moderne polykristallijne technische materialen, en draagt ​​bij aan de stabiliteit van moderne micro-elektronische apparaten, ” zegt prof. Kaplan.

Het team voerde nieuwe experimenten uit in het Technion met behulp van de nieuwe "Titan" elektronenmicroscoop en een gefocusseerde ionenstraal (FIB). Dit omvatte het plateren van saffier met een dunne (0,6 micron dikke) goudfilm (ter vergelijking, een enkele haarlok is 80-100 micron dik), en het verhitten van de monsters totdat ze een evenwicht bereikten (d.w.z. totdat de goudfilm uiteenviel in miljarden kleine goudkristallen op de saffier). De onderzoekers namen ook een bron van elementen op de saffier op waarvan bekend is dat ze een rol spelen bij het vormen van de laag tussen verschillende materialen (in dit geval silicium en calcium). Toen de monsters een evenwicht bereikten, het calcium en silicium verplaatsten zich naar het grensvlak tussen het goud en de saffier, en een dunne (0,0012 micron, of 1,2 nanometer dikke) laag is gemaakt.

De onderzoekers konden vervolgens met succes de energie meten die is opgeslagen tussen het goud en de saffier in de aanwezigheid van de dunne laag. Door het zo te doen, ze bewezen dat zijn aanwezigheid de energie van de interface vermindert, en verbetert daardoor de stabiliteit.