La deformazione indotta dallo stress lungo i bordi del nichel nanocristallino riflette l'attività di lussazione osservata dai ricercatori dell'Advanced Light Source del Berkeley Lab utilizzando una stazione sperimentale di diffrazione a raggi X a cella di diamante radiale. Credito:immagine per gentile concessione di Bin Chen, Berkeley Lab
(Phys.org)—I nanocristalli come rivestimenti protettivi per turbine a gas avanzate e motori a reazione stanno ricevendo molta attenzione per le loro numerose proprietà meccaniche vantaggiose, compresa la loro resistenza allo stress. Però, contrariamente alle simulazioni al computer, la minuscola dimensione dei nanocristalli apparentemente non li salvaguarda dai difetti.
In uno studio condotto da ricercatori con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e collaboratori di diverse istituzioni, i nanocristalli di nichel sottoposti ad alta pressione hanno continuato a subire la deformazione plastica mediata dalla dislocazione anche quando i cristalli avevano una dimensione di soli tre nanometri. Questi risultati sperimentali, che sono stati effettuati presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, una fonte primaria di raggi X e luce ultravioletta per la ricerca scientifica, mostrano che le dislocazioni possono formarsi nei nanocristalli più fini quando viene applicato lo stress.
"Non possiamo ignorare o sottovalutare il ruolo delle dislocazioni - difetti o irregolarità - nei nanocristalli fini poiché lo stress esterno può cambiare l'intero quadro, "dice Bin Chen, uno scienziato dei materiali con l'ALS Experimental Systems Group che ha guidato questa ricerca. "I nostri risultati dimostrano che la deformazione mediata dalla dislocazione persiste fino a dimensioni dei cristalli più piccole del previsto, principalmente perché i modelli al computer non hanno tenuto sufficientemente conto degli effetti delle sollecitazioni esterne e dei bordi dei grani".
Chen è l'autore principale e corrispondente di un articolo in Scienza descrivendo questo lavoro. Il documento è intitolato "Texture of Nanocristallino Nickel:Probing the Lower Size Limit of Dislocation Activity". Co-autore di questo documento sono stati Katie Lutker, Selva Vennila Raju, Jinyuan Yan, Waruntorn Kanitpanyacharoen, Jialin Lei, Shizhong Yang, Hans-Rudolf Wenk, Ho-kwang Mao e Quentin Williams.
Una cella a incudine diamantata radiale consente esperimenti di diffrazione dei raggi X in situ sulla linea di luce superbend 12.2.2 della sorgente di luce avanzata del Berkeley Lab. Credito:foto di Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab
La deformazione plastica è un cambiamento permanente della forma o delle dimensioni di un materiale come risultato di una sollecitazione applicata. La probabilità di deformazione plastica aumenta con la presenza di dislocazioni – difetti o irregolarità – all'interno della struttura del materiale. La maggior parte dei materiali è costituita da piccoli cristalli, chiamato "grani, " e ciò che accade ai confini tra questi grani è fondamentale per le proprietà del materiale. Sulla base di simulazioni al computer e analisi di microscopia elettronica, la convinzione è stata che la deformazione plastica mediata dalla dislocazione diventa inattiva al di sotto di una dimensione dei grani di almeno 10 nanometri, e forse fino a 30 nanometri.
"L'idea era che al di sotto di una scala di lunghezza critica, l'attività di deformazione mediata dalla dislocazione lascerebbe il posto allo scorrimento del bordo del grano, diffusione, e rotazione del grano, " Chen dice. "Tuttavia, c'erano molte domande irrisolte riguardo al fatto che la plasticità nei grani nanocristallini ultrafini potesse ancora essere generata da dislocazioni e come la pressione potesse influenzare i regimi deformativi".
Per studiare la dimensione dei grani e gli effetti della pressione sulla deformazione plastica dei nanometalli, Chen e i suoi colleghi hanno utilizzato ALS Beamline 12.2.2, una linea di luce a magnete piegato superconduttore che supporta esperimenti di diffrazione di raggi X radiali a cellule di diamante-incudine. Chen e i suoi coautori hanno registrato osservazioni in situ sotto una gamma di alte pressioni di testurizzazione (quando i grani cristallini hanno orientamenti preferiti) in campioni di nichel policristallino stressati con dimensioni dei grani di 500-, 20 e 3 nanometri.
"È stata osservata una consistenza sostanziale a pressioni superiori a 3,0 gigapascal per il nichel con granulometria di 500 nanometri e superiore a 11,0 gigapascal per il nichel con granulometria di 20 nanometri, " Dice Chen. " Sorprendentemente, testurizzazione è stata osservata anche in nichel con granulometria di 3 nanometri quando compresso sopra 18,5 gigapascal. Questo ci dice che sotto elevate pressioni esterne, l'attività di dislocazione può essere estesa fino a una scala di pochi nanometri".
Chen e i suoi coautori hanno iniziato con il nichel nanocristallino perché la sua struttura cubica al centro della faccia rimane stabile in un ampio intervallo di pressione. Stanno ora applicando le loro tecniche allo studio di altri materiali nanocristallini, sia metalli che non metalli.
