De eigenschappen van nanomaterialen kunnen in de toekomst gemakkelijker te voorspellen zijn. Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart hebben metaal stapsgewijs vermalen tot steeds fijnere poeders en hebben een gedetailleerde catalogus opgesteld van hoe de structuur van de metaalkorrels verandert afhankelijk van de korrelgrootte. Ze ontdekten dat de kristalroosters aanvankelijk krimpen, maar expandeert weer onder een bepaalde drempelkorrelgrootte. De rangschikking en afstand van de atomen bepalen tal van eigenschappen van een materiaal. Als het mogelijk is om kristalroosters nauwkeurig te karakteriseren als functie van de deeltjesgrootte, daarmee kan wellicht ook nauwkeuriger worden berekend hoe nanodeeltjes van een bepaalde grootte zich gedragen.

De fijnere koffie wordt gemalen, hoe intenser de smaak. De relatie tussen eigenschappen en grind betreft ook een team van wetenschappers onder leiding van Eric Jan Mittemeijer, Directeur bij het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen. De onderzoekers werken niet met koffie, maar in plaats daarvan met metalen op nanoschaal. Met verschillende zeer fijn verpoederde nanokorrelige metalen bepaalden ze dat de metaalatomen in de individuele grote kristallijne korrels dichter bij elkaar komen, hoe fijner de korrels worden gemalen. Het kristalrooster van het materiaal wordt zo meer samengedrukt. Echter, zodra de korrels kleiner zijn dan ongeveer 30 nanometer in diameter, de atomen keren hun gedrag om en het kristalrooster zet weer uit.

Materiaalwetenschappers weten al langer dat hetzelfde materiaal verschillende – ja zelfs tegenstrijdige – eigenschappen kan vertonen, afhankelijk van de grootte van de deeltjes. Dit geldt in de eerste plaats wanneer de afmetingen van een materiaalmonster in het nanometerbereik vallen. Er is ook al heel wat bekend over de redenen voor het verschillende gedrag van zeer fijne en grovere korrels. In grote metalen kristallen, de meeste atomen zijn volledig omringd door meer van hetzelfde soort atoom. In dit type geordend rooster, de aantrekkende en afstotende krachten tussen de metaalatomen zijn in evenwicht.

In korrels op nanoschaal, de oppervlakte-atomen bepalen de materiaaleigenschappen

Ter vergelijking, nanokristallen bestaan ​​uit relatief weinig atomen, waarvan een zeer groot deel zich aan het oppervlak van de korrels bevindt. Naarmate de korrelgrootte daalt, de verhouding van oppervlakte tot volume neemt toe. De oppervlakte-atomen zijn niet aan alle kanten omgeven door dezelfde atomen, en onder een bepaalde kristalgrootte regelen ze de materiaaleigenschappen zoals de kleur, geleidbaarheid, magnetische eigenschappen en hardheid van de stof.

De onderzoekers maakten nanokristallijne materialen in een kogelmolen, nikkel verpulveren, ijzer, koper, en wolfraam. De stalen kogels verpletteren de metalen in een cilindervormige trommel tot minuscule kristallen. Door gebruik te maken van elektronenmicroscopie en röntgendiffractieanalyse, de wetenschappers in Stuttgart hebben nu systematisch onderzocht, Voor de eerste keer, precies hoe de atomen in fijnere en fijnere metaalkristallen zijn gerangschikt. Ze waren vooral geïnteresseerd in hoe de afstand tussen de atomen in het kristalrooster verandert als functie van de grootte van de kristalkorrels.

In lijn met hun verwachtingen, de wetenschappers merkten aanvankelijk op dat de kristalroosters van de vier onderzochte metalen samentrokken met afnemende korrelgrootte. "Terwijl we de reeks experimenten met steeds kleinere korrels voortzetten, echter, deden we een verrassende ontdekking", zegt Eric Jan Mittemeijer. "Als de granulatie onder een bepaalde grootte in het nanometerbereik valt, het kristalrooster zet weer uit en de afstand tussen de atomen wordt groter".

Oppervlaktestress en overtollig volume concurreren met elkaar

Het feit dat de afstand tussen de atomen in de nanokristallen afhangt van de korrelgrootte is, volgens de wetenschappers het resultaat van twee concurrerende invloeden:oppervlaktespanning en overmaat vrij volume. Bij metalen, de atomen, die in het binnenste dicht geordend zijn en daarom veel bindingen met andere atomen hebben, hebben een lagere energie dan atomen aan het oppervlak van de korrel, die meerdere bonding partners missen. Hierdoor ontstaat een oppervlaktespanning. Het stelt de atomen in staat om steeds dichter naar elkaar toe te schuiven naarmate de korrelgrootte afneemt en de verhouding van oppervlak tot volume toeneemt.

Onder een bepaalde maat, een bijkomend effect van de atomen aan het oppervlak van de korrel komt in het spel. Een korrelgrens, zoals het bekend is, vormen waar twee korrels op nanoschaal samenkomen. De oppervlakte-atomen van naburige korrels, d.w.z. de atomen op de korrelgrens, probeer een compromispositie in te nemen tussen de twee kruisende of gesuperponeerde kristalroosters. Ze verplaatsen zich daarom van hun werkelijke roosterlocaties en nemen een groter volume in dan atomen, een vaste positie innemen in een regelmatig rooster. De onderzoekers spreken van overtollig vrij volume in de korrelgrenzen, wat behoorlijk uitgesproken kan zijn met nanomaterialen. Dit vrije volume in de korrelgrenzen van nanomaterialen creëert een spanningsveld dat de afstand tussen de naburige atomen in de nanokristallen vergroot.

"De invloed van dit overtollige vrije volume op de roosterposities van de atomen kan veilig worden verwaarloosd voor objecten die groter zijn dan ongeveer 30 nanometer", zegt Mittemeijer. "Het regelt het gedrag van kleinere objecten, echter, terwijl de oppervlaktespanning aan belang verliest".

Het onderzoek van de Max Planck-wetenschappers kan van grote betekenis blijken te zijn voor de materiaalwetenschap. "Ons onderzoek draagt ​​bij aan een beter begrip van de eigenschappen van nanomaterialen, zodat een ingenieur weet welk nanomateriaal geschikt is voor verwerking of producten, bijvoorbeeld", zegt Gayatri Rane, die cruciaal werk hebben verricht in de studie. Sai Ramudu Meka, die ook meedeed, voegt toe, "Als we niet weten hoe een materiaal zich gedraagt, we kunnen het ook niet correct gebruiken".