(Phys.org)—Nanokristallen als beschermende coatings voor geavanceerde gasturbine- en straalmotoren krijgen veel aandacht vanwege hun vele voordelige mechanische eigenschappen, inclusief hun weerstand tegen stress. Echter, in tegenstelling tot computersimulaties, het kleine formaat van nanokristallen beschermt ze blijkbaar niet tegen defecten.

In een onderzoek door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en medewerkers van meerdere instellingen, nanokristallen van nikkel die aan hoge druk werden onderworpen, bleven last hebben van dislocatie-gemedieerde plastische vervorming, zelfs wanneer de kristallen slechts drie nanometer groot waren. Deze experimentele bevindingen, die werden uitgevoerd bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), een vooraanstaande bron van röntgenstralen en ultraviolet licht voor wetenschappelijk onderzoek, laten zien dat dislocaties zich kunnen vormen in de fijnste nanokristallen wanneer stress wordt toegepast.

"We kunnen de rol van dislocaties - defecten of onregelmatigheden - in fijne nanokristallen niet negeren of onderschatten, omdat externe stress het hele beeld kan veranderen, " zegt Bin Chen, een materiaalwetenschapper bij de ALS Experimental Systems Group die dit onderzoek leidde. "Onze resultaten tonen aan dat dislocatie-gemedieerde vervorming aanhoudt tot kleinere kristalgroottes dan verwacht, voornamelijk omdat computermodellen onvoldoende rekening hebben gehouden met de effecten van externe stress en korrelgrenzen."

Chen is de leidende en corresponderende auteur van een paper in Wetenschap het beschrijven van dit werk. Het artikel is getiteld "Texture of Nanocrystalline Nickel:Probing the Lower Size Limit of Dislocation Activity." Co-auteur van dit artikel waren Katie Lutker, Selva Vennila Raju, Jinyuan Yan, Waruntorn Kanitpanyacharoen, Jialin Lei, Shizhong Yang, Hans-Rudolf Wenk, Ho-kwang Mao en Quentin Williams.

Plastische vervorming is een permanente verandering in de vorm of grootte van een materiaal als gevolg van een uitgeoefende spanning. De kans op plastische vervorming neemt toe met de aanwezigheid van dislocaties - defecten of onregelmatigheden - in de structuur van het materiaal. De meeste materialen bestaan ​​uit kleine kristallen, genaamd "granen, " en wat er gebeurt aan de grenzen tussen deze korrels is van cruciaal belang voor de materiaaleigenschappen. Op basis van computersimulaties en elektronenmicroscopie-analyse, de overtuiging was dat dislocatie-gemedieerde plastische vervorming inactief wordt onder een korrelgrootte van ten minste 10 nanometer, en mogelijk zo groot als 30 nanometer.

"Het idee was dat onder een kritische lengteschaal, dislocatie-gemedieerde vervormingsactiviteit zou plaats maken voor korrelgrensverschuiving, verspreiding, en graanrotatie, " zegt Chen. "Echter, er waren veel onopgeloste vragen met betrekking tot de vraag of plasticiteit in ultrafijne nanokristallijne korrels nog steeds kan worden gegenereerd door dislocaties en hoe druk de vervormingsregimes kan beïnvloeden."

Om korrelgrootte en drukeffecten op de plastische vervorming van nanometalen te onderzoeken, Chen en zijn collega's gebruikten ALS Beamline 12.2.2, een supergeleidende buigmagneetbundellijn die radiale diamant-aambeeld-cel röntgendiffractie-experimenten ondersteunt. Chen en zijn co-auteurs hebben in situ waarnemingen opgenomen onder een reeks hoge texturendrukken (wanneer de kristallijne korrels voorkeursoriëntaties hebben) in gestresste polykristallijne nikkelmonsters met korrelgroottes van 500-, 20 en 3 nanometer.

"Aanzienlijke texturering werd waargenomen bij drukken boven 3,0 gigapascal voor nikkel met een korrelgrootte van 500 nanometer en bij meer dan 11,0 gigapascal voor nikkel met een korrelgrootte van 20 nanometer, " zegt Chen. "Verrassend genoeg, textuur werd ook gezien in nikkel met een korrelgrootte van 3 nanometer bij compressie boven 18,5 gigapascal. Dit vertelt ons dat onder hoge externe druk, dislocatieactiviteit kan worden uitgebreid tot een schaal van enkele nanometers."

Chen en zijn co-auteurs begonnen met nanokristallijn nikkel omdat de kubische structuur van het vlak in het midden stabiel blijft onder een breed drukbereik. Ze passen hun technieken nu toe op de studie van andere nanokristallijne materialen, zowel metalen als niet-metalen.