Je kunt ze niet zien, maar de meeste metalen om je heen - munten, zilverwerk, zelfs de stalen balken die gebouwen en viaducten ondersteunen, zijn gemaakt van kleine metalen korrels. Onder een krachtig genoeg microscoop, je kunt in elkaar grijpende kristallen zien die eruitzien als een granieten aanrecht.

Materiaalwetenschappers weten al lang dat metalen sterker worden naarmate de korrels waaruit het metaal bestaat kleiner worden - tot op zekere hoogte. Als de korrels kleiner zijn dan 10 nanometer in diameter, zijn de materialen zwakker omdat, het was gedacht, ze glijden langs elkaar heen als zand dat van een duin glijdt. De sterkte van metalen had een grens.

Maar experimenten geleid door de voormalige postdoctorale geleerde Xiaoling Zhou van de Universiteit van Utah, nu aan de Princeton University, universitair hoofddocent geologie Lowell Miyagi, en Bin Chen bij het Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research in Shanghai, China, laten zien dat dat niet altijd het geval is - in monsters van nikkel met korreldiameters zo klein als 3 nanometer, en onder hoge druk, de sterkte van de monsters bleef toenemen met kleinere korrelgroottes.

Het resultaat, Zhou en Miyagi zeggen:is een nieuw begrip van hoe individuele atomen van metaalkorrels met elkaar omgaan, evenals een manier om die fysica te gebruiken om supersterke metalen te bereiken. hun studie, uitgevoerd met collega's van de Universiteit van Californië, Berkeley en aan universiteiten in China, is gepubliceerd in Natuur .

"Onze resultaten suggereren een mogelijke strategie voor het maken van ultrasterke metalen, " zegt Zhou. "In het verleden, onderzoekers geloofden dat de sterkste korrelgrootte ongeveer 10-15 nanometer was. Maar nu ontdekten we dat we sterkere metalen konden maken onder de 10 nanometer."

Duwen langs Hall-Petch

Voor de meeste metalen voorwerpen, Miyagi zegt, de afmetingen van de metaalkorrels zijn in de orde van enkele tot een paar honderd micrometer - ongeveer de diameter van een mensenhaar. "Hoogwaardig bestek heeft vaak een fijner, en homogener, korrelstructuur waardoor u een betere rand kunt krijgen, " hij zegt.

De eerder begrepen relatie tussen metaalsterkte en korrelgrootte werd de Hall-Petch-relatie genoemd. De metaalsterkte nam toe naarmate de korrelgrootte kleiner werd, volgens Hall-Petch, tot een limiet van 10-15 nanometer. Dat is een diameter van slechts ongeveer vier tot zes DNA-strengen. Korrelgroottes onder die limiet waren gewoon niet zo sterk. Dus om de kracht te maximaliseren, metallurgen zouden streven naar de kleinste effectieve korrelgroottes.

"Verfijning van de korrelgrootte is een goede benadering om kracht te verbeteren, " zegt Zhou. "Dus het was behoorlijk frustrerend, vroeger, om te ontdekken dat deze korrelgrootteverfijningsaanpak niet langer werkt onder een kritische korrelgrootte."

De verklaring voor de verzwakking onder de 10 nanometer had te maken met de manier waarop korreloppervlakken met elkaar in wisselwerking stonden. De oppervlakken van korrels hebben een andere atomaire structuur dan de binnenkant, zegt Miyagi. Zolang de korrels bij elkaar worden gehouden door de kracht van wrijving, het metaal zou zijn kracht behouden. Maar bij kleine korrelgroottes, het was gedacht, de korrels zouden onder spanning gewoon langs elkaar glijden, wat leidt tot een zwak metaal.

Technische beperkingen verhinderden eerder directe experimenten met nanokorrels, Hoewel, het beperken van het begrip van hoe korrels op nanoschaal zich gedroegen en of er nog onbenutte kracht is onder de Hall-Petch-limiet. "Dus hebben we onze studie ontworpen om de sterkte van nanometalen te meten, "zegt Zhou.

Onder druk

De onderzoekers testten monsters van nikkel, een materiaal dat verkrijgbaar is in een breed scala aan nanokorrelgroottes, tot drie nanometer. Hun experimenten omvatten het plaatsen van monsters van verschillende korrelgroottes onder intense druk in een diamanten aambeeldcel en het gebruik van röntgendiffractie om te kijken wat er op nanoschaal in elk monster gebeurde.

"Als je ooit met een veer hebt gespeeld, je hebt er waarschijnlijk hard genoeg aan getrokken om het te verpesten, zodat het niet doet wat het moet doen, " zegt Miyagi. "Dat is eigenlijk wat we hier meten; hoe hard we op dit nikkel kunnen duwen totdat we het zover zouden vervormen dat het zich zou kunnen herstellen."

De sterkte bleef toenemen tot de kleinste beschikbare korrelgrootte. Het monster van 3 nm weerstond een kracht van 4,2 gigapascal (ongeveer dezelfde kracht als tien 10, 000 pond. olifanten balanceren op een enkele hoge hak) voordat ze onomkeerbaar vervormen. Dat is tien keer sterker dan nikkel met een commerciële korrelgrootte.

Het is niet dat de relatie tussen Hall en Petch stukliep, Miyagi zegt, maar dat de manier waarop de korrels op elkaar inwerkten onder de experimentele omstandigheden anders was. De hoge druk overwon waarschijnlijk de korrelschuifeffecten.

"Als je twee korrels heel hard tegen elkaar duwt, " hij zegt, "Het is moeilijk voor ze om langs elkaar heen te glijden omdat de wrijving tussen de korrels groot wordt, en je kunt deze korrelgrensschuifmechanismen onderdrukken die verantwoordelijk blijken te zijn voor deze verzwakking."

Toen het glijden van de korrelgrens onderdrukt werd bij korrelgroottes onder 20nm, de onderzoekers observeerden een nieuw vervormingsmechanisme op atomaire schaal dat resulteerde in extreme versterking in de fijnste korrelige monsters.

Ultrasterke mogelijkheden

Zhou zegt dat een van de voordelen van deze studie ligt in hun methode om de sterkte van materialen op nanoschaal te meten op een manier die nog niet eerder is gedaan.

Miyagi zegt dat een andere vooruitgang een nieuwe manier is om na te denken over het versterken van metalen - door hun korreloppervlakken te manipuleren om het glijden van korrels te onderdrukken.

"We hebben niet veel toepassingen, industrieel, van dingen waar de druk zo hoog is als in deze experimenten, maar door te laten zien dat druk een manier is om korrelgrensvervorming te onderdrukken, kunnen we nadenken over andere strategieën om het te onderdrukken, misschien met behulp van ingewikkelde microstructuren waar je korrelvormen hebt die het glijden van korrels langs elkaar belemmeren."