Onderzoekers van de Brown University en het Institute of Metals Research van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben een nieuwe manier gevonden om nanotwins - kleine lineaire grenzen in het atomaire rooster van een metaal met aan weerszijden identieke kristallijne structuren - te gebruiken om sterkere metalen te maken.

In een paper in het journaal Wetenschap , de onderzoekers laten zien dat het variëren van de afstand tussen tweelinggrenzen, in tegenstelling tot het handhaven van consistente afstand overal, produceert dramatische verbeteringen in de sterkte van een metaal en de snelheid waarmee het hard wordt - de mate waarin een metaal sterker wordt wanneer het wordt vervormd.

Huajian Gao, een professor aan Brown's School of Engineering die het werk leidde, zegt dat het onderzoek zou kunnen wijzen op nieuwe productietechnieken voor hoogwaardige materialen.

"Dit werk gaat over wat bekend staat als een gradiëntmateriaal, wat betekent een materiaal waarin er een geleidelijke variatie is in zijn interne samenstelling, " Gao zei. "Verloopmaterialen zijn een hot onderzoeksgebied omdat ze vaak gewenste eigenschappen hebben in vergelijking met homogene materialen. In dit geval, we wilden zien of een gradiënt in nanotwin-afstand nieuwe eigenschappen opleverde."

Gao en zijn collega's hebben al aangetoond dat nanotwins zelf de materiaalprestaties kunnen verbeteren. Nanotwinned koper, bijvoorbeeld, is aanzienlijk sterker gebleken dan standaard koper, met een ongewoon hoge weerstand tegen vermoeidheid. Maar dit is de eerste studie om de effecten van variabele nanotwin-afstand te testen.

Gao en zijn collega's hebben kopermonsters gemaakt met behulp van vier verschillende componenten, elk met verschillende nanotwin-grensafstanden. Afstanden variërend van 29 nanometer tussen grenzen tot 72 nanometer. De kopermonsters bestonden uit verschillende combinaties van de vier componenten die in verschillende volgorden over de dikte van het monster waren gerangschikt. De onderzoekers testten vervolgens de sterkte van elk samengesteld monster, evenals de sterkte van elk van de vier componenten.

Uit de tests bleek dat alle composieten sterker waren dan de gemiddelde sterkte van de vier componenten waaruit ze waren gemaakt. Opmerkelijk, een van de composieten was eigenlijk sterker dan de sterkste van de samenstellende componenten.

"Om een ​​analogie te geven, we denken dat een ketting zo sterk is als de zwakste schakel, " zei Gao. "Maar hier, we hebben een situatie waarin onze ketting eigenlijk sterker is dan de sterkste schakel, dat is echt heel verbazingwekkend."

Andere tests toonden aan dat de composieten ook een hogere werkverharding hadden dan het gemiddelde van hun samenstellende componenten.

Om het mechanisme achter deze prestatieverhogingen te begrijpen, de onderzoekers gebruikten computersimulaties van de atomaire structuur van hun monsters onder spanning. Op atomair niveau, metalen reageren op spanning door de beweging van dislocaties - lijndefecten in de kristallijne structuur waar atomen van hun plaats worden geduwd. De manier waarop die dislocaties groeien en met elkaar omgaan, bepaalt de sterkte van een metaal.

Uit de simulaties bleek dat de dichtheid van dislocaties veel hoger is in de gradiënt koper dan in een normaal metaal.

"We hebben een uniek type dislocatie gevonden die we bundels van geconcentreerde dislocaties noemen, die leiden tot dislocaties met een grotere dichtheid dan normaal, " zei Gao. "Dit type dislocatie komt niet voor in andere materialen en daarom is dit gradiëntkoper zo sterk."

Gao zei dat terwijl het onderzoeksteam koper gebruikte voor deze studie, nanotwins kunnen ook in andere metalen worden geproduceerd. Het is dus mogelijk dat nanotwin-gradiënten de eigenschappen van andere metalen kunnen verbeteren.

"We hopen dat deze bevindingen mensen zullen motiveren om te experimenteren met dubbele gradiënten in andere soorten materialen, ' zei Gao.