Lo scivolamento di un confine gemello perfetto, con reticoli cristallini specchiati su entrambi i lati, è stato a lungo considerato impossibile a temperatura ambiente nei metalli. Qui, gli autori mostrano che è possibile quando un confine gemello su scala nanometrica all'interno di un nanopilastro di rame viene compresso lungo determinati orientamenti, attraverso microscopia elettronica a trasmissione in situ (a sinistra) e simulazione di dinamica molecolare (a destra). Credito:Zhang Jie Wang, Qing Jie Li, Ming Dao, Evan Ma, Subra Suresh, Zhi-Wei Shan
La maggior parte dei metalli e dei semiconduttori, dall'acciaio in una lama di coltello al silicio in un pannello solare, sono costituiti da tanti piccoli grani cristallini. Il modo in cui questi grani si incontrano ai loro bordi può avere un impatto importante sulle proprietà del solido, compresa la resistenza meccanica, conduttività elettrica, proprietà termali, flessibilità, e così via.
Quando i confini tra i grani sono di un tipo particolare, chiamato confine gemello coerente (CTB), questo aggiunge proprietà utili a determinati materiali, soprattutto su scala nanometrica. Aumenta la loro forza, rendendo il materiale molto più resistente preservando la sua capacità di deformarsi, a differenza della maggior parte degli altri processi che aggiungono forza. Ora, i ricercatori hanno scoperto un nuovo meccanismo di deformazione di questi confini di cristalli gemelli, che potrebbe aiutare gli ingegneri a capire come utilizzare in modo più preciso i CTB per ottimizzare le proprietà di alcuni materiali.
Contrariamente alle aspettative, si scopre che i grani di cristallo di un materiale a volte possono scivolare lungo questi CTB. La nuova scoperta è descritta in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Comunicazioni sulla natura di Ming Dao, un ricercatore principale nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT; Subra Suresh, il Vannevar Bush Professor Emerito di Ingegneria e presidente designato della Nanyang Technological University di Singapore; Ju Li, il Battelle Energy Alliance Professor presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleare del MIT; e altri sette al MIT e altrove.
Mentre ogni granulo di cristallo è costituito da una serie ordinata tridimensionale di atomi in una struttura reticolare, I CTB sono luoghi in cui, ai due lati di un confine, il reticolo forma un'immagine speculare della struttura dall'altra parte. Ogni atomo su entrambi i lati del confine gemello coerente è esattamente abbinato a un atomo in una posizione simmetrica allo specchio sull'altro lato. Molte ricerche negli ultimi anni hanno dimostrato che i reticoli che incorporano CTB su scala nanometrica possono avere una resistenza molto maggiore rispetto allo stesso materiale con bordi di grano casuali, senza perdere un'altra proprietà utile chiamata duttilità, che descrive la capacità di un materiale di essere allungato.
Alcune ricerche precedenti hanno suggerito che questi confini di cristalli gemelli non sono in grado di scorrere a causa del numero limitato di difetti. Infatti, nessuna osservazione sperimentale di tale scorrimento è stata riportata prima a temperatura ambiente. Ora, una combinazione di analisi teoriche e lavoro sperimentale riportato nel Comunicazioni sulla natura carta ha dimostrato che in effetti, sotto certi tipi di carichi questi grani possono scivolare lungo il confine. Comprendere questa proprietà sarà importante per sviluppare modi per progettare le proprietà dei materiali per ottimizzarle per applicazioni specifiche, dice Dao.
"Molti materiali nanocristallini ad alta resistenza [con dimensioni dei grani misurate in meno di 100 nanometri] hanno bassa duttilità e proprietà di fatica, e il fallimento cresce abbastanza rapidamente con poco allungamento, " dice. Al contrario, nei metalli che incorporano CTB, che "aumenta la forza e conserva la buona duttilità". Ma capire come si comportano questi materiali quando sottoposti a varie sollecitazioni meccaniche è importante per poterli sfruttare per usi strutturali. Per una cosa, significa che il modo in cui il materiale si deforma è piuttosto irregolare:le distorsioni nella direzione dei piani dei CTB possono verificarsi molto più facilmente che in altre direzioni.
L'esperimento è stato condotto con rame, ma i risultati dovrebbero applicarsi ad alcuni altri metalli con strutture cristalline simili, come l'oro, d'argento, e platino. Questi materiali sono ampiamente utilizzati nei dispositivi elettronici, dice Dao. "Se disegni questi materiali" con strutture nella gamma dimensionale esplorata in questo lavoro, che coinvolge caratteristiche inferiori a poche centinaia di nanometri di diametro, "Devi essere consapevole di questo tipo di modalità di deformazione".
Lo scorrevole, una volta capito, può essere utilizzato per vantaggi significativi. Per esempio, i ricercatori potrebbero progettare nanostrutture estremamente resistenti basate sulla nota dipendenza dall'orientamento; o conoscendo il tipo e la direzione della forza necessaria per avviare lo scorrimento, potrebbe essere possibile progettare un dispositivo che potrebbe essere attivato, come un allarme, in risposta a un determinato livello di stress.
"Questo studio ha confermato lo scorrimento del CTB, che prima era considerato impossibile, e le sue particolari condizioni di guida, "dice Zhiwei Shan, un co-autore senior e preside della Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Xi'an Jiao Tong University in Cina. "Molte cose potrebbero diventare possibili quando vengono scoperte condizioni di attivazione o abilitazione precedentemente sconosciute".
"Questo lavoro ha identificato attraverso esperimenti sistematici e analisi il verificarsi di un'importante caratteristica meccanica che si trova solo in alcuni tipi speciali di interfacce e su scala nanometrica. Dato che questo fenomeno può essere potenzialmente applicabile a un'ampia gamma di materiali cristallini, si possono immaginare nuovi approcci di progettazione dei materiali che coinvolgono nanostrutture per ottimizzare una varietà di caratteristiche meccaniche e funzionali, "Sicuro dice.
"Questa scoperta potrebbe cambiare radicalmente la nostra comprensione della deformazione plastica nei metalli nanotwined e dovrebbe essere di grande interesse per la comunità di ricerca sui materiali, "dice Huajian Gao, il professore di ingegneria Walter H. Annenberg alla Brown University, chi non era coinvolto in questo lavoro.
Gao aggiunge che "i CTB sono fondamentali per progettare nuovi materiali nanotwinned con proprietà meccaniche e fisiche superiori come resistenza, duttilità, durezza, conduttività elettrica, e stabilità termica. Questo documento fa avanzare in modo significativo le nostre conoscenze in questo campo rivelando lo scorrimento su larga scala dei CTB".
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
