Een van de basisprincipes van nanotechnologie is dat als je dingen extreem klein maakt - één nanometer is ongeveer vijf atomen breed, 100, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar - ze zullen perfecter worden.

"Perfect in die zin dat hun rangschikking van atomen in de echte wereld meer op een geïdealiseerd model zal lijken, " zegt Frederic Sansoz, ingenieur van de Universiteit van Vermont, "met kleinere kristallen - in bijvoorbeeld goud of koper - het is gemakkelijker om er minder defecten in te hebben."

En het elimineren van de defecten op het grensvlak tussen twee kristallen, of granen, door nanotechnologie-experts is aangetoond dat het een krachtige strategie is om materialen sterker te maken, gemakkelijker te vormen, en minder elektrisch bestendig - of een groot aantal andere kwaliteiten waarnaar ontwerpers en fabrikanten zoeken.

Sinds 2004, toen er een baanbrekende krant uitkwam Wetenschap , materiaalwetenschappers zijn enthousiast over een speciale rangschikking van atomen in metalen en andere materialen die een "coherente tweelinggrens" of CTB wordt genoemd.

Op basis van theorie en experiment, deze coherente tweelinggrenzen worden vaak beschreven als "perfect, " verschijnen als een perfect platte, een atoom dik vlak in computermodellen en elektronenmicroscoopbeelden.

Over de afgelopen tien jaar, een hoeveelheid literatuur heeft deze coherente tweelinggrenzen aangetoond - gevonden op nanoschaal binnen de kristallijne structuur van gewone metalen zoals goud, zilver en koper - zijn zeer effectief in het veel sterker maken van materialen, terwijl ze hun vermogen behouden om permanente vormveranderingen te ondergaan zonder te breken en toch een gemakkelijke overdracht van elektronen mogelijk te maken - een belangrijk feit voor computerproductie en andere elektronische toepassingen.

Maar nieuw onderzoek toont nu aan dat coherente tweelinggrenzen toch niet zo perfect zijn.

Een team van wetenschappers, inclusief Sansoz, een professor in UVM's College of Engineering and Mathematical Sciences, en collega's van het Lawrence Livermore National Laboratory en elders, schrijf in de 19 mei-editie van Natuurmaterialen dat coherente tweelinggrenzen die in koper worden gevonden "inherent defect zijn".

Met een hoge resolutie elektronenmicroscoop, met behulp van een krachtigere techniek dan ooit is gebruikt om deze grenzen te onderzoeken, ze vonden kleine knikachtige stappen en krommingen in wat eerder als perfect was waargenomen.

Nog verrassender, deze knikken en andere defecten lijken de oorzaak te zijn van de sterkte van de coherente tweelinggrens en andere gewenste eigenschappen.

"Alles wat we de afgelopen 10 jaar over deze materialen hebben geleerd, moet opnieuw worden bekeken met deze nieuwe informatie, " zegt Sansoz

Het experiment, geleid door Morris Wang in het Lawrence Livermore Lab, paste een nieuw ontwikkelde mappingtechniek toe om de kristaloriëntatie van CTB's in zogenaamd nanotwinned koper en "boom" te bestuderen - het onthulde deze defecten, ' zegt Sansoz.

Deze ontdekking in de echte wereld kwam overeen met eerdere intrigerende theoretische bevindingen die Sansoz had gedaan met 'atomistische simulaties' op een computer. De laboratoriumresultaten stuurden Sansoz terug naar zijn computermodellen, waar hij de nieuw ontdekte "knik"-defecten in zijn berekeningen introduceerde. Met behulp van UVM's Vermont Advanced Computing Center, hij bevestigde theoretisch dat de knikdefecten die door het Livermore-team zijn waargenomen, leiden tot "vrij rijke vervormingsprocessen op atomaire schaal, " hij zegt, die niet bestaan ​​met perfecte tweelinggrenzen.

Met het computermodel "we hebben een reeks volledig nieuwe mechanismen gevonden, " hij zegt, om uit te leggen waarom coherente tweelinggrenzen tegelijkertijd kracht toevoegen en toch ook rekken mogelijk maken (wat wetenschappers "trekrekbaarheid" noemen) - eigenschappen die elkaar gewoonlijk uitsluiten in conventionele materialen.

"We hadden geen idee dat dergelijke gebreken bestonden, "zegt Sansoz. "Tot zover de perfecte tweelinggrens. We noemen ze nu defecte tweelinggrenzen."

Sinds enkele decennia is wetenschappers hebben gezocht naar manieren om de grootte van individuele kristallijne korrels in metalen en andere materialen te verkleinen. Als een reeks dijken of muren binnen de grotere structuur, de grenzen tussen korrels kunnen interne slip vertragen en helpen bij het weerstaan ​​van falen. Over het algemeen, hoe meer van deze grenzen - hoe sterker het materiaal.

Oorspronkelijk, wetenschappers geloofden dat coherente tweelinggrenzen in materialen veel betrouwbaarder en stabieler waren dan conventionele korrelgrenzen, die onsamenhangend vol gebreken zijn. Maar het nieuwe onderzoek toont aan dat ze beide vergelijkbare soorten defecten kunnen bevatten, ondanks zeer verschillende grensenergieën.

"Het begrijpen van deze defecte structuren is de eerste stap om volledig gebruik te maken van deze CTB's voor het versterken en behouden van de taaiheid en elektrische geleidbaarheid van veel materialen, Morris Wang zei. "Om het gedrag en de mechanismen van deze defecten te begrijpen, zal ons technisch ontwerp van deze materialen voor toepassingen met hoge sterkte helpen."

Voor Sansoz, deze ontdekking onderstreept een diep principe, "Er zijn allerlei gebreken in de natuur, " hij zegt, "met nanotechnologie, je probeert de manier waarop ze worden gevormd en verspreid in de materie te beheersen, en om hun impact op eigenschappen te begrijpen. Het punt van dit artikel is dat sommige gebreken een materiaal sterker maken."