Om volledig te begrijpen hoe nanomaterialen zich gedragen, men moet ook de vervormingsmechanismen op atomaire schaal begrijpen die hun structuur bepalen en, daarom, hun kracht en functie.

Onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh, Drexel-universiteit, en Georgia Tech hebben een nieuwe manier ontwikkeld om deze mechanismen te observeren en te bestuderen en, daarbij, hebben een interessant fenomeen onthuld in een bekend materiaal, wolfraam. De groep is de eerste die deformatie-twinning op atomair niveau observeert in body-centered cubic (BCC) wolfraam nanokristallen.

Het team gebruikte een transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie (TEM) en geavanceerde computermodellering om de waarneming te doen. Dit werk, gepubliceerd in Natuurmaterialen , vertegenwoordigt een mijlpaal in de in situ studie van mechanisch gedrag van nanomaterialen.

Deformatietwinning is een vorm van vervorming die, in combinatie met dislocatieslip, laat materialen permanent vervormen zonder te breken. In het proces van twinning, het kristal heroriënteert zich, die een gebied in het kristal creëert dat een spiegelbeeld is van het originele kristal. Twinning is waargenomen in grootschalige BCC-metalen en legeringen tijdens vervorming. Echter, of twinning al dan niet voorkomt in BCC-nanomaterialen, bleef onbekend.

"Om een ​​diep begrip te krijgen van vervorming in BCC-nanomaterialen, "Scott X. Mao, senior auteur van de krant, zei, "we combineerden beeldvorming en simulaties op atomaire schaal om aan te tonen dat twinning-activiteiten domineerden voor de meeste belastingsomstandigheden vanwege het ontbreken van andere afschuifvervormingsmechanismen in BCC-roosters op nanoschaal."

Het team koos wolfraam als een typisch BCC-kristal. De meest bekende toepassing van wolfraam is het gebruik ervan als gloeidraad voor gloeilampen.

De waarneming van twinning op atomaire schaal werd gedaan in een TEM. Dit soort onderzoek was in het verleden niet mogelijk geweest vanwege problemen bij het maken van BCC-monsters van minder dan 100 nanometer, zoals vereist door TEM-beeldvorming. Jiangwei Wang, een Pitt-afgestudeerde student en hoofdauteur van het artikel, ontwikkelde een slimme manier om de BCC wolfraam nanodraden te maken. Onder een TEM, Wang las twee kleine stukjes individuele wolfraamkristallen op nanoschaal om een ​​draad te maken met een diameter van ongeveer 20 nanometer. Deze draad was duurzaam genoeg om uit te rekken en samen te drukken terwijl Wang het twinning-fenomeen in realtime observeerde.

Om het fenomeen dat door het team van Mao en Wang in Pitt is waargenomen beter te begrijpen, Christopher R. Weinberger, een assistent-professor in Drexel's College of Engineering, ontwikkelde computermodellen die het mechanische gedrag van de wolfraam-nanostructuur laten zien - op atomair niveau. Door zijn modellering kon het team de fysieke factoren zien die een rol spelen tijdens twinning. Deze informatie zal onderzoekers helpen te theoretiseren waarom het voorkomt in wolfraam op nanoschaal en een koers uitstippelen om dit gedrag in andere BCC-materialen te onderzoeken.

"We proberen te zien of ons op atomisme gebaseerde model zich op dezelfde manier gedraagt ​​als het wolfraammonster dat in de experimenten is gebruikt, die vervolgens kan helpen bij het verklaren van de mechanismen die het mogelijk maken om zich zo te gedragen, "Zei Weinberger. "Specifiek, we willen graag uitleggen waarom het dit twinning-vermogen als nanostructuur vertoont, maar niet als een bulkmetaal."

In overleg met Weinbergers modellering, Ting Zhu, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Georgia Tech, werkte met een afgestudeerde student, Zhi Zeng, geavanceerde computersimulaties uitvoeren met behulp van moleculaire dynamica om vervormingsprocessen in 3D te bestuderen.

Zhu's simulatie onthulde dat het "kleiner is sterker" gedrag van wolfraam niet zonder nadelen is als het gaat om toepassingen.

"Als je de grootte verkleint tot de nanometerschaal, je kunt de kracht met verschillende orden of grootte vergroten, " Zei Zhu. "Maar de prijs die u betaalt is een dramatische afname van de ductiliteit.

We willen de sterkte vergroten zonder afbreuk te doen aan de ductiliteit bij de ontwikkeling van deze nanogestructureerde metalen en legeringen. Om dit doel te bereiken, we moeten de controlerende vervormingsmechanismen begrijpen."

Het twinningmechanisme, Mao heeft toegevoegd, staat in contrast met de conventionele wijsheid van dislocatie-nucleatie-gecontroleerde plasticiteit in nanomaterialen. De resultaten zouden verder experimenteel en modellerend onderzoek naar vervormingsmechanismen in metalen en legeringen op nanoschaal moeten motiveren, uiteindelijk het ontwerp van nanogestructureerde materialen mogelijk maken om hun latente mechanische sterkte volledig te realiseren.

"Onze ontdekking van de door twinning gedomineerde vervorming opent ook mogelijkheden om de ductiliteit te verbeteren door tweelingstructuren te ontwerpen in BCC-kristallen op nanoschaal, ' zei Zhu.