Forskare från Brown University och Institute of Metals Research vid den kinesiska vetenskapsakademin har hittat ett nytt sätt att använda nanotwins - små linjära gränser i en metalls atomgitter som har identiska kristallina strukturer på båda sidor - för att göra starkare metaller.

I en tidning i journalen Vetenskap , forskarna visar att varierande avståndet mellan tvillinggränser, i motsats till att bibehålla konsekvent avstånd genomgående, ger dramatiska förbättringar av en metalls styrka och arbetshärdningshastighet - i vilken utsträckning en metall stärks när den deformeras.

Huajian Gao, en professor vid Brown's School of Engineering som medledde arbetet, säger att forskningen kan peka mot nya tillverkningstekniker för högpresterande material.

"Detta arbete handlar om vad som är känt som ett gradientmaterial, betyder ett material där det finns en gradvis variation i dess inre makeup, ", sa Gao. "Gradientmaterial är ett hett forskningsområde eftersom de ofta har önskvärda egenskaper jämfört med homogena material. I detta fall, vi ville se om en gradient i nanotwin-mellanrum gav nya egenskaper."

Gao och hans kollegor har redan visat att nanotwins själva kan förbättra materialprestanda. Nanotvinnad koppar, till exempel, har visat sig vara betydligt starkare än vanlig koppar, med en ovanligt hög motståndskraft mot utmattning. Men detta är den första studien som testar effekterna av variabelt nanotwin-avstånd.

Gao och hans kollegor skapade kopparprover med fyra distinkta komponenter, var och en med olika nanotwin-gränsavstånd. Avstånd från 29 nanometer mellan gränser till 72 nanometer. Kopparproverna bestod av olika kombinationer av de fyra komponenterna arrangerade i olika ordningsföljder över provets tjocklek. Forskarna testade sedan styrkan hos varje sammansatt prov, samt styrkan hos var och en av de fyra komponenterna.

Testerna visade att alla kompositer var starkare än medelhållfastheten för de fyra komponenterna som de tillverkades av. Anmärkningsvärt, en av kompositerna var faktiskt starkare än den starkaste av dess beståndsdelar.

"För att ge en analogi, vi tänker på en kedja som bara så stark som dess svagaste länk, " sa Gao. "Men här, vi har en situation där vår kedja faktiskt är starkare än dess starkaste länk, vilket verkligen är otroligt."

Andra tester visade att kompositerna också hade högre arbetshärdningshastigheter än genomsnittet av deras ingående komponenter.

För att förstå mekanismen bakom dessa ökningar i prestanda, forskarna använde datorsimuleringar av sina provers atomstruktur under belastning. På atomnivå, metaller svarar på spänningar genom rörelsen av dislokationer - linjedefekter i den kristallina strukturen där atomer trycks ur sin plats. Det sätt på vilket dessa dislokationer växer och interagerar med varandra är det som avgör en metalls styrka.

Simuleringarna visade att densiteten av dislokationer är mycket högre i gradientkoppar än i en normal metall.

"Vi hittade en unik typ av dislokationer som vi kallar buntar av koncentrerade dislokationer, som leder till dislokationer en storleksordning tätare än normalt, " Sa Gao. "Denna typ av dislokation förekommer inte i andra material och det är därför denna gradientkoppar är så stark."

Gao sa att medan forskargruppen använde koppar för denna studie, nanotwins kan också produceras i andra metaller. Så det är möjligt att nanotwin-gradienter kan förbättra egenskaperna hos andra metaller.

"Vi hoppas att dessa fynd kommer att motivera människor att experimentera med tvillinggradienter i andra typer av material, " sa Gao.