Viste dall'alto dei tre nastri di vetro metallico e dei corrispondenti BMG fabbricati con il metodo delle vibrazioni ultrasoniche. (Crediti fotografici:Dr. J. Ma, Università di Shenzhen). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax7256.
Gli scienziati e gli ingegneri dei materiali mirano a progettare e sviluppare vetri metallici sfusi (BMG) con proprietà eccellenti. La principale sfida tecnica è aumentare le loro dimensioni e migliorare le proprietà dei materiali in laboratorio. Ora scrivo su Progressi scientifici , Jiang Ma e un team di ricercatori interdisciplinari hanno affrontato il problema collaborando tra i dipartimenti di Micro/Nano Optomechatronic Engineering, Industria meccanica, Ricerca in Scienze Computazionali e Istituti di Meccanica e Fisica. Hanno dimostrato un nuovo metodo per sintetizzare BMG (vetri metallici sfusi) e compositi vetro-vetro metallici utilizzando nastri di vetro metallico. Usando vibrazioni ultrasoniche, hanno attivato completamente il rilassamento dello stress su scala atomica all'interno dello strato superficiale ultrasottile per accelerare il legame atomico tra i nastri a bassa temperatura; molto al di sotto del punto di transizione vetrosa. Il nuovo approccio ha superato i limiti dimensionali e compositivi associati ai metodi convenzionali per facilitare l'incollaggio rapido di vetri metallici con proprietà fisiche distinte senza cristallizzazione. Il lavoro di ricerca apre una nuova finestra per sintetizzare BMG di composizione estesa per consentire la scoperta di compositi multifunzionali vetro-vetro che finora non sono stati segnalati.
Il vetro è un materiale indispensabile nella storia dell'umanità, svolgere un ruolo pratico nella ricerca scientifica e nella vita quotidiana. Le varianti naturali o artificiali del vetro trovano applicazioni estreme nell'ottica, biotecnologia, medicina ed elettronica. I vetri metallici sfusi sono un buon materiale modello per lo studio della struttura e delle proprietà dei vetri densi di imballaggio casuale, attirando una grande attenzione sin dalla loro scoperta. I materiali sono molto promettenti in future applicazioni per lo sviluppo di articoli sportivi, dispositivi biomedici e dispositivi elettronici per il loro alto limite elastico e l'eccellente resistenza all'usura/radiazioni.
Però, le velocità di cristallizzazione dei liquidi metallici vetroformi noti rimangono ordini di grandezza superiori ai comuni materiali vetrogeni come i polimeri, silicati o liquidi molecolari. Di conseguenza, la capacità di formatura del vetro (GFA) rimane una questione di vecchia data per la ricerca fondamentale, introducendo un collo di bottiglia per potenziali applicazioni di BMG. Il GFA superiore si trova attualmente solo in un numero limitato di sistemi per formare piombo (Pd), BMG a base di zirconio (Zr) e titanio (Ti). I ricercatori hanno compiuto sforzi sostanziali in passato per comprendere e migliorare il GFA dei BMG per superare i limiti esistenti incorporando la termodinamica, sinterizzazione al plasma a scintilla, metodi di giunzione termoplastici e, più recentemente, la selezione dei componenti ad alta produttività guidata dall'intelligenza artificiale.
Energia di attivazione della superficie del vetro metallico attraverso simulazioni MD. (A) Mappa dell'energia di attivazione ottenuta mediante simulazione MD. (B) Distribuzione delle energie di attivazione a diverse distanze dalla superficie. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax7256.
I ricercatori hanno scoperto che la mobilità superficiale dei materiali amorfi (materiali senza struttura cristallina rilevabile) è molto più veloce rispetto alla massa studiando una varietà di materiali. Esistono anche prove evidenti per estendere le dinamiche superficiali veloci dagli strati monoatomici alla scala nanometrica per formare materiali amorfi. Mentre il lavoro precedente suggerisce che la dinamica atomica veloce della superficie può unire vetri metallici di diversi tipi, il semplice contatto di due superfici metalliche di vetro a basse temperature non facilita immediatamente la formazione di legami metallici. Per unire i vetri metallici accelerando la mobilità atomica superficiale, si deve applicare pressione e aumentare la temperatura. Nel presente lavoro, Ma et al. ha notevolmente accelerato la mobilità superficiale per creare un legame metallico ultraveloce sotto vibrazioni ultrasoniche a temperatura ambiente. Hanno superato il limite della capacità di formatura del vetro (GFA) per sintetizzare BMG (vetri metallici sfusi) e formare compositi di vetro metallico (GGC) che non sono stati segnalati finora.
Per esplorare l'energia di attivazione alla superficie del vetro metallico e alla massa, gli scienziati hanno applicato simulazioni di dinamica molecolare (MD) combinate con la tecnica di attivazione-rilassamento nouveau (ARTn). Fisicamente, l'energia di attivazione è correlata all'energia necessaria per innescare il salto locale tra sottobacini vicini sul potenziale panorama energetico. Per analizzare statisticamente i profili di distribuzione dell'energia di attivazione sulla superficie di un vetro metallico, il team di ricerca ha diviso il modello campione in diversi strati di quattro Angstrom (Å) di spessore paralleli alla superficie. Lo strato superficiale effettivo ha mostrato energie straordinariamente basse (approssimativamente 0,05 eV) per comportarsi in una modalità di decadimento esponenziale per suggerire che l'energia di attivazione nella regione di massa era distinta dalla superficie.
A SINISTRA:proprietà meccaniche dinamiche misurate sulle superfici in vetro metallico Zr50Cu50 selezionate come campione modello per l'analisi. (A) e (B) mostrano la mappa della tangente della perdita viscoelastica a f =200 e 70, 000Hz. (C) è l'analisi statistica di (A) e (B), che è ben adattato dalla distribuzione gaussiana. (D) è la distribuzione della viscosità (o tempo di rilassamento) normalizzata dal valore nella posizione di picco di f =200 Hz. A DESTRA:Incollaggio rapido su superfici di vetro metalliche a base di Zr create da vibrazioni ultrasoniche. (A) Diagramma schematico per fabbricare il BMG mediante vibrazioni ultrasoniche. (B) Spostamento del sonotrodo durante la vibrazione costante. (C) Ingrandimento di (B). (D) Fotografia della materia prima del nastro. (E) Fotografia dell'asta a base di Zr sfusa (diametro, 5mm; altezza, 3 mm) fabbricato dalla materia prima del nastro. (F) Confronto della densità tra BMG as-cast e legati ad ultrasuoni di diversi sistemi. (G) Confronto della durezza tra BMG as-cast e legati ad ultrasuoni di diversi sistemi. Credito fotografico:Jiang Ma, Università di Shenzhen. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax7256.
Per comprendere ulteriormente l'attivazione della superficie del vetro metallico, i ricercatori hanno studiato la mobilità superficiale di un modello di pellicola di vetro metallico a base di zirconio (Zr) mappando la sua tangente di perdita viscoelastica (misurazione adimensionale di un materiale) utilizzando la microscopia a scansione dinamica (DSPM). Sotto agitazione meccanica ciclica, alcuni atomi di superficie in punti locali erano altamente attivati per dissipare energia meccanica, mentre altri no. I risultati della mappatura supportano fortemente l'idea che gli atomi di superficie nei vetri metallici mantengano una rapida mobilità. Ma et al. aspettarsi quindi che un processo di incollaggio veloce venga effettivamente attivato in presenza di una frequenza di pilotaggio adeguatamente elevata.
Per facilitare un processo di incollaggio rapido indotto da un'elevata frequenza di guida, gli scienziati hanno condotto vibrazioni ultrasoniche su nastri BMG sbriciolati. Per questo, hanno posizionato i campioni di nastro di vetro metallico in una piastra di base con una cavità in carburo cementato e hanno applicato una bassa pressione di precarico (~ 12 MPa) per serrare saldamente i nastri. Hanno quindi applicato il sonotrodo (un trapano acustico) alla frequenza di 20, 000Hz. Il team ha utilizzato tre diversi sistemi di leghe tipiche, tra cui a base di lantanio (La), a base di piombo (Pb), e campioni di nastro di vetro metallico a base di zirconio (Zr), precedentemente preparato utilizzando processi convenzionali di filatura a fusione.
Nastri amorfi formati a freddo sotto vibrazioni ultrasoniche. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax7256.
Utilizzando una configurazione sperimentale appositamente progettata, hanno unito i nastri insieme in un campione in massa sotto costante vibrazione ultrasonica per meno di due secondi. Ma et al. barre a base di Zr sfuse ingegnerizzate utilizzando materie prime a nastro, comprese le barre alla rinfusa a base di La e Pd che utilizzano lo stesso processo. Però, se i ricercatori avessero cristallizzato i campioni di nastro prima della vibrazione ultrasonica, non avrebbero osservato un effetto "incollaggio", risultando invece in cucciolate rotte. In particolare, la natura amorfa unica è stata la chiave per l'unione del nastro per formare i BMG come campioni non cristallini che sono rimasti amorfi durante la vibrazione ultrasonica ad alta frequenza. I BMG fabbricati ad ultrasuoni erano densi come campioni as-cast e mostravano basse porosità. I risultati preliminari del nuovo approccio sono promettenti per lo sviluppo di vetri metallici di grandi dimensioni.
A SINISTRA:Fabbricazione dei BMG con multifase. (A e B) Diagramma schematico per sintetizzare BMG monofase e multifase mediante vibrazioni ultrasoniche dalle materie prime del nastro. (C e D) modelli XRD dei BMG monofase e multifase, indicando la loro natura amorfa. (E) Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) dei doppi BMG basati su La e Pd. (F) immagine HRTEM del BMG a doppia fase, mostrando distinte strutture amorfe di due diverse fasi. (G) Modelli di diffrazione delle regioni selezionate R1, R2, e R3. Le regioni R2 e R3 hanno le stesse barre di scala, come mostrato nella regione R1. (H) Distribuzione degli elementi del BMG a doppia fase mediante analisi EDS. Le immagini TEM condividono la barra della scala con le altre mappe EDS. a.u., unità arbitrarie. A DESTRA:risultati della simulazione MD. (A) Curve di deformazione calcolate dei campioni I e II, che sono preparati da due diversi metodi di trattamento. I dati (linea tratteggiata) del campione di massa così preparato sono elencati per riferimento. (B) e (C) sono le istantanee dei campioni I e II colorati dallo spostamento non affine Dj al punto di snervamento [come indicato in (A)]. (D) MSD calcolato 〈r2(t)〉 della regione di interfaccia e della regione di massa. (E) Le distribuzioni della densità di probabilità p(rΔt) degli spostamenti atomici r(Δt =104 ps) della regione di interfaccia e della regione di volume del campione II. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax7256.
Ispirato dai primi risultati, Ma et al. BMG ingegnerizzati con più fasi e componenti amorfi utilizzando vibrazioni ad alta frequenza e BMG multifase creati combinando diversi tipi di nastri. Per realizzare questo, tagliano in pezzi nastri di vetro metallico di diversi sistemi, li ha mescolati in una cavità dello stampo e ha ottenuto campioni sfusi utilizzando vibrazioni ultrasoniche per unire i nastri insieme in una massa.
Il team di ricerca ha utilizzato modelli di diffrazione dei raggi X per dimostrare che sia i BMG monofase che quelli multifase hanno mantenuto le loro strutture amorfe. Gli scienziati hanno anche studiato la microscala e le strutture atomiche dei BMG utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) per confermare la presenza di strutture amorfe distinte di fasi diverse. Per studiare la distribuzione elementare attraverso l'interfaccia, hanno usato la spettroscopia a dispersione di energia (EDS) e hanno notato un livello di mescolanza attraverso la diffusione. Successivamente, utilizzando simulazioni di dinamica molecolare (MD), Ma et al. ha rivelato l'origine atomica del legame veloce abilitato agli ultrasuoni e ha notato che la mobilità degli atomi di superficie differisce drasticamente da quella della massa; tipico dei materiali amorfi.
In questo modo, Jiang Ma e colleghi hanno dimostrato un approccio di giunzione abilitato agli ultrasuoni per sintetizzare vetri metallici di grandi dimensioni utilizzando fasi amorfe singole o multiple. Il processo riguardava fondamentalmente la mobilità ultraveloce dei vetri metallici. Il nuovo metodo consente la progettazione di più fasi e microstrutture. I risultati della ricerca stabiliranno un processo nuovo e flessibile per progettare e ingegnerizzare nuovi sistemi di vetro metallico, ampliare notevolmente le applicazioni dei materiali amorfi.
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