Kristallijne materialen hebben atomen die netjes op een rij staan ​​in een herhalend patroon. Als ze breken, dat falen vaak begint bij een defect, of een plek waar het patroon wordt verstoord. Maar hoe gaan defectvrije materialen kapot?

Tot voor kort, de vraag was puur theoretisch; het maken van een defectvrij materiaal was onmogelijk. Nu nanotechnologische vooruitgang zulke materialen mogelijk heeft gemaakt, echter, onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania en het Duitse Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen hebben aangetoond hoe deze defecten zich voor het eerst vormen op de weg naar falen.

In een nieuwe studie, gepubliceerd in Natuurmaterialen , ze rekten defectvrije palladium-nanodraden, elk duizend keer dunner dan een mensenhaar, onder streng gecontroleerde omstandigheden. In tegenstelling tot de conventionele wijsheid, ze ontdekten dat de rekkracht waarbij deze draden faalden onvoorspelbaar was, optreden in een reeks waarden die sterker werden beïnvloed door de omgevingstemperatuur dan eerder werd aangenomen.

Deze thermische onzekerheid in de faallimiet suggereert dat het punt waar een defect-inducerend defect voor het eerst verschijnt, zich op het oppervlak van de nanodraad bevindt, waar atomen zich meer vloeistofachtig gedragen. Hun toegenomen mobiliteit maakt het waarschijnlijker dat ze zichzelf zullen herschikken in het begin van een "lijndefect, " die dwars door de nanodraad snijdt, waardoor het breekt.

De studie werd geleid door afgestudeerde student Lisa Chen en universitair hoofddocent Daniel Gianola van het Department of Materials Science and Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science. Andere leden van Gianola's lab, postdoctoraal onderzoeker Mo-Rigen He en afstudeerder Jungho Shin, bijgedragen aan de studie. Ze werkten samen met Gunther Richter van het Max Planck Institute for Intelligent Systems.

"Nanotechnologie gaat niet alleen over het kleiner maken, "Chen zei, "het gaat ook om verschillende eigenschappen die op nanoschaal in materialen ontstaan."

"Als je deze hele kleine constructies maakt, "Gianola zei, "ze worden vaak van onderop gekweekt, in een atoom-voor-atoom, laag voor laag proces, en dat kan je een veel meer ongerepte structuur geven dan wanneer je een groot blok metaal zou nemen en het zou verkleinen. In aanvulling, de atomen op het oppervlak vormen een veel groter deel van het totaal en kunnen de eigenschappen van het materiaal op nanoschaal bepalen."

De onderzoekers kweekten palladium-nanodraden door middel van een dampdepositiemethode bij hoge temperatuur, die elk atoom de tijd en energie gaf om te bewegen totdat het zijn favoriete plek in de kristallijne structuur van het metaal vond.

Ontspruitend uit een substraat zoals grassprieten, het team gebruikte een microscopische robotmanipulator om de draden nauwgezet te plukken en ze aan hun testplatform in een elektronenmicroscoop te bevestigen.

Dit platform, ontwikkeld in samenwerking met Sandia National Laboratory, functioneert als een industriële mechanische testmachine op nanoschaal. Een nanodraad lassen aan een greep die is bevestigd aan een reeks schuine staven die uitzetten wanneer ze worden verwarmd door een elektrische stroom, de onderzoekers konden de nanodraad dan gecontroleerd oprekken. Door de spanning herhaaldelijk op te voeren tot een ander maximum en in hetzelfde tempo te verlagen, de onderzoekers konden bepalen wanneer de eerste onomkeerbare vervorming in de draad optrad.

"Als je eraan trekt totdat het mislukt, weet je niet precies waar en hoe dat falen begon, " zei Gianola. "Ons doel was om het punt af te leiden waar de eerste atomen van de nanodraad uit hun oorspronkelijke posities beginnen te verschuiven en een mobiel defect vormen."

Computationele studies suggereerden dat dit punt zou kunnen worden onthuld door de temperatuurafhankelijkheid van falen te bestuderen. Afwezige defectvrije nanodraden om fysieke experimenten op uit te voeren, eerdere theorieën en analyses suggereerden dat de relatie tussen temperatuur en sterkte deterministisch was; als je de temperatuur kent, kun je de faallimiet van een nanodraad schatten.

Door hun rekexperimenten bij verschillende temperaturen uit te voeren, de onderzoekers hebben deze faalpunten in kaart kunnen brengen. Verrassend genoeg, ze vonden de sterke punten van de draden verspreid over een reeks waarden, zelfs wanneer uitgerekt bij dezelfde temperatuur.

"We hebben kunnen verifiëren, "Chen zei, "door te experimenteren, en niet alleen theorie, dat dit proces thermisch wordt geactiveerd, en dat er een grote willekeur in het proces zit. Normaal gesproken kun je zeggen dat een bulkmateriaal een bepaalde sterkte heeft bij een bepaalde temperatuur, maar je moet een andere benadering kiezen om de sterkte van de nanodraad te specificeren. Afhankelijk van de temperatuur waar u zich zorgen over maakt, zelfs de verdeling van krachten kan drastisch variëren."

Dat deze verdeling plaatsvond over een relatief groot bereik van waarden betekende dat de thermische activeringsbarrière, de hoeveelheid energie die nodig is om de kiemvorming van het eerste defect een vliegende start te geven, relatief laag was. Door de grootte van deze thermische activeringsbarrière te vergelijken met andere atomistische mechanismen, kregen de onderzoekers enig inzicht in wat dit proces aanstuurde.

"Diffusie van atomen op een oppervlak, "Gianola zei, "is het enige mechanisme dat deze lage thermische activeringsbarrière heeft. Oppervlaktediffusie is atomen die rondspringen, site naar site, enigszins chaotisch, bijna als een vloeistof. Een palladiumatoom dat in het grootste deel van de draad zit, heeft 12 buren, en moet de meeste van die banden verbreken om te kunnen bewegen. Maar een aan de oppervlakte heeft er misschien maar drie of vier om te breken."

Inzicht in de oorsprong van de verdeling van krachten in nanostructuren zal een rationeler ontwerp van apparaten mogelijk maken.

"Tot voor kort, "Gianola zei, "Het is heel moeilijk geweest om foutloze nanodraden te maken. Maar nu we dat kunnen, er is een reden om je druk te maken over hoe ze falen. Hun sterke punten zijn bijna duizend keer wat je zou krijgen van het bulkmateriaal met defecten - in dit experiment, we observeerden, voor zover we weten, de hoogste sterktes ooit gemeten in die kristalstructuur van metaal - dus ze zullen aantrekkelijk zijn om in allerlei apparaten te gebruiken."