Quando le tecniche di produzione trasformano metalli, ceramiche o compositi in una forma tecnologicamente utile, la comprensione del meccanismo del processo di trasformazione di fase è essenziale per modellare il comportamento di questi materiali ad alte prestazioni. Tuttavia, vedere queste trasformazioni in tempo reale è difficile.

Un nuovo studio sulla rivista Natura , guidato dal professor Guangwen Zhou del Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science's Department of Mechanical Engineering and the Materials Science Program presso la Binghamton University, utilizza la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per esaminare la trasformazione da ossido a metallo al livello atomico. Di particolare interesse sono le dislocazioni di disadattamento che sono sempre presenti alle interfacce nei materiali multifase e svolgono un ruolo chiave nel dettare le proprietà strutturali e funzionali.

Gli studenti di Zhou Xianhu Sun e Dongxiang Wu sono i primi coautori dell'articolo ("Cinetica stop-and-go delle trasformazioni interfacciali indotta da dislocazione"). Sun ha recentemente terminato il suo dottorato di ricerca. tesi e Wu ha un dottorato di ricerca. candidato. Altri contributori sono Lianfeng Zou, MS '12, Ph.D. '17, ora professore alla Yanshan University, e Ph.D. il candidato Xiaobo Chen; la professoressa Judith Yang, il professore assistente di ricerca in visita Stephen House e la ricercatrice post-dottorato Meng Li della Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh; e lo scienziato del personale Dmitri Zakharov del Center for Functional Nanomaterials, un Office of Science User Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Lab.

Utilizzando la tecnica avanzata, ha affermato Zhou, "i produttori potrebbero essere in grado di controllare la microstruttura e le proprietà dei materiali attuali e progettare nuovi tipi di materiali. C'è una certa importanza pratica per questa ricerca, ma c'è anche un significato fondamentale".

Gli esperimenti hanno testato la trasformazione dell'ossido di rame in rame. Osservare direttamente una tale trasformazione dell'interfaccia su scala atomica è impegnativo perché richiede la capacità non solo di accedere all'interfaccia sepolta ma anche di applicare stimoli chimici e termici per guidare la trasformazione.

Utilizzando tecniche TEM ambientali in grado di introdurre gas idrogeno nel microscopio per guidare la riduzione dell'ossido e contemporaneamente eseguire l'imaging TEM, il team di ricerca è stato in grado di monitorare atomicamente la reazione interfacciale. Sorprendentemente, i ricercatori hanno osservato che la trasformazione da ossido di rame a rame avviene in modo intermittente perché viene temporaneamente interrotta da dislocazioni disadattate, un comportamento simile a un processo stop-and-go regolato dai semafori.

"Questo è inaspettato, perché il buon senso accettato dalla comunità di ricerca sui materiali è che le dislocazioni dell'interfaccia sono le posizioni per facilitare la trasformazione piuttosto che per ritardarla", ha detto Zhou.

Per capire cosa stesse funzionando, Wu sviluppò codici informatici per spiegare a cosa stavano assistendo negli esperimenti. Questo processo avanti e indietro tra gli esperimenti e la modellazione al computer ha aiutato il team a capire in che modo le dislocazioni disadattate controllano il trasporto a lungo raggio degli atomi necessari per la trasformazione di fase.

"Questo processo iterativo in loop tra esperimenti e modellazione al computer, entrambi a livello atomico, è un aspetto entusiasmante per la ricerca sui materiali", ha affermato Zhou.

Le informazioni fondamentali potrebbero rivelarsi utili nella progettazione di nuovi tipi di materiali multifase e nel controllo della loro microstruttura, che possono essere utilizzati in diverse applicazioni come i materiali strutturali portanti, la fabbricazione elettronica e le reazioni catalitiche per la produzione di energia pulita e la sostenibilità ambientale.

Dopo aver raccolto i dati iniziali a Binghamton, Sun e il team di ricerca hanno ripetuto gli esperimenti sulle apparecchiature di Pitt e Brookhaven, che hanno capacità diverse.

"Questo è un lavoro collaborativo. Senza i facilitatori del Brookhaven Lab e dell'Università di Pittsburgh, non possiamo vedere ciò che dobbiamo vedere", ha affermato Sun. "Inoltre, nelle ultime fasi della mia analisi dei dati, ho parlato molte volte dei risultati con Judy, Meng e Dmitri. Ricordo che quando abbiamo terminato la prima bozza e inviato il manoscritto a Dmitri, mi ha detto che forse avremmo dovuto includere alcuni equazioni per confermare i nostri risultati osservati e ha inviato della letteratura pertinente. Quindi ora possiamo mostrare che quei calcoli concordano con i nostri risultati sperimentali."

Yang ha anche definito la ricerca "una partnership davvero piacevole" che ha riunito i migliori elementi di Binghamton, Pitt e Brookhaven.

"La capacità di utilizzare strumenti all'avanguardia è una delle cose alla base della nuova scienza, come esemplificato qui", ha affermato. "Brookhaven ha un microscopio eccezionale in grado di sopportare lo stress ambientale a pressioni più elevate rispetto a quello che abbiamo all'Università di Pittsburgh e ha una capacità analitica maggiore. Ma quello dell'Università di Pittsburgh è un buon microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione che può accettare gas, è un microscopio più robusto. C'è anche più tempo a disposizione per la ricerca."

Ha usato un'analogia per spiegare perché è importante vedere le reazioni chimiche accadere in tempo reale:"Quando compri il pesce ed è confezionato, c'è solo così tanto che puoi capire su quel pesce invece di vederlo in un ambiente reale".

Poiché i laboratori nazionali del DOE possono offrire strumenti all'avanguardia e competenze di alto livello che integrano ciò che è disponibile nelle università e nell'industria high-tech, possono aiutare i ricercatori, specialmente quelli all'inizio della loro carriera, a portare il loro lavoro al passo successivo livello, nella maggior parte dei casi gratuitamente.

Zakharov si è detto felice di aver avuto un ruolo in questa ricerca sui materiali:"Il potere della tecnica è che è un metodo diretto per vedere tutte queste dislocazioni e trasformazioni di fase. Puoi controllare la reazione e puoi andare avanti e indietro per osserva come si comportano quelle dislocazioni nelle interfacce. Non c'è nessun'altra tecnica con un'osservazione così diretta."

Sun, che ora lavora al Lawrence Berkeley National Laboratory, anche lui un DOE National Lab, è felice che questa ricerca sia finalmente pubblicata.

"Ho iniziato ad analizzare questi dati a marzo 2018, quindi ci sono voluti quasi cinque anni per completare questo lavoro", ha detto. "È impegnativo, ma ne vale la pena". + Esplora ulteriormente

Una nuova ricerca potrebbe aiutare tecnologie energetiche più pulite