I bordi dei grani sono uno dei difetti più importanti nei materiali ingegneristici che separano diversi cristalliti, che determinano la loro forza, resistenza alla corrosione e rottura. Tipicamente, queste interfacce sono considerate difetti quasi bidimensionali e il controllo delle loro proprietà rimane uno dei compiti più impegnativi nell'ingegneria dei materiali. Però, più di 50 anni fa il concetto che i bordi di grano possono subire trasformazioni di fase è stato stabilito da concetti termodinamici, ma non sono stati considerati, poiché non potevano essere osservati. Dott. Christian Liebscher, capo del gruppo "Advanced Transmission Electron Microscopy" e membri del suo team presso il Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), ora ha trovato un modo per osservare sperimentalmente direttamente le transizioni dei bordi dei grani. Con i colleghi del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), NOI., che ha modellato le trasformazioni del bordo grano, i ricercatori hanno pubblicato le loro recenti scoperte in Natura .

I loro risultati sono sorprendenti:"La ricerca di trasformazioni congruenti ha tutti gli aspetti di una ricerca di un ago in un pagliaio dimensionale 6+C, "dice John W. Cahn, scienziato dei materiali ed esperto di termodinamica. Il team ha persino trovato due di questi "aghi". La chiave era utilizzare i microscopi a risoluzione atomica dell'MPIE per visualizzare direttamente le interfacce di trasformazione.

"Non ci aspettavamo di vedere trasformazioni di fase del bordo del grano, ma i nostri risultati mostrano chiaramente che due motivi del confine del grano coesistono con diverse disposizioni atomiche. Tuttavia, l'orientamento del piano di bordo grano, il disorientamento dei cristalliti e la composizione chimica non cambiano. Attraverso queste osservazioni, dobbiamo ripensare a come si comportano le interfacce durante l'esposizione di un materiale a temperatura e/o stress, " spiega Liebscher.

Lui ei suoi colleghi hanno analizzato film sottili di rame puro in particolare mediante microscopia elettronica a trasmissione risolta atomica. Per di qua, hanno sbloccato le fasi di confine del grano e hanno dimostrato la loro coesistenza con precisione atomica. Le fasi possono essere descritte atomisticamente come motivi con struttura a perla ea domino (vedi Fig. 1). Dott. Timofey Frolov e Dott. Robert Rudd, dal Lawrence Livermore National Laboratory, modellato le fasi di bordo grano. Hanno usato un nuovo algoritmo di ricerca della struttura del confine di grano, che è in grado di trovare le strutture osservate sperimentalmente. Inoltre, le loro simulazioni di dinamica molecolare a temperatura finita esplorano la cinetica di trasformazione. Le strutture previste non solo assomigliano perfettamente alle osservazioni sperimentali, ma dimostrare che le fasi di bordo grano possono trasformarsi l'una nell'altra cambiando la temperatura o lo stress. Inoltre, le simulazioni indicano che la giunzione di fase a bordo grano, un nuovo difetto di linea che non è stato considerato in precedenza, sta controllando il tasso.

"Abbiamo scoperto modellando che la velocità della trasformazione dipende in gran parte dalla migrazione della giunzione di fase. Occorrono solo poche decine di nanosecondi in caso di un breve difetto per completare la trasformazione dalla struttura del domino alla struttura della perla. Mentre nessuna trasformazione si osserva quando la lunghezza del difetto supera alcuni nanometri e si verifica al di sotto di 500 K, " spiega il dottor Thorsten Meiners, primo autore della pubblicazione ed ex ricercatore di dottorato presso l'MPIE. Per di più, le fasi di bordo grano sono caratterizzate da proprietà diverse, che determinano come si muovono le fasi dell'interfaccia, come assorbono elementi di impurità o come si deformano meccanicamente.

"Quindi, capire come si trasformano i bordi dei grani fornisce una nuova visione su fenomeni materiali ancora inspiegabili, come la crescita anormale del grano, e apre nuovi modi per considerare le transizioni di interfaccia come un elemento di design materiale, " afferma il prof. Gerhard Dehm, direttore dell'MPIE. I diversi stati dei bordi o delle interfacce di grano possono avere un forte impatto sul comportamento alla corrosione dei materiali, come si comportano in condizioni catalitiche o addirittura svolgono un ruolo importante nel guasto dei dispositivi microelettronici. Gli scienziati mirano ad ampliare le attuali osservazioni agli esperimenti condotti a diverse temperature, sotto stress e in presenza di impurità. L'obiettivo è stabilire una comprensione completa di queste trasformazioni di fase, essere così in grado di progettare le proprietà dei materiali raggiungendo un'ingegneria olistica dei confini del grano.