Postdoktorn Peiman Shahbegi-Roodposhti och en doktorand i materialvetenskap arbetar med ett handskfack för att producera nanomaterial. Kredit:University of Connecticut
Forskare vid University of Connecticut har funnit att reducering av syre i vissa nanokristallina material kan förbättra deras styrka och hållbarhet vid förhöjda temperaturer, en lovande förbättring som kan leda till bättre biosensorer, snabbare jetmotorer, och halvledare med större kapacitet.
"Stabilisering av nanokristaller vid förhöjda temperaturer är en vanlig utmaning, " säger Peiman Shahbeigi-Roodposhti, en postdoktorand forskare med UConns Institute of Materials Science och studiens huvudförfattare. "I vissa legeringar, vi fann att höga nivåer av syre kan leda till en betydande minskning av deras effektivitet."
Med hjälp av en speciell fräsprocess i en sluten handskbox fylld med argongas, UConn-forskare, arbetar i samarbete med forskare från North Carolina State University, kunde syntetisera nanostora kristaller av järn-krom och järn-krom-hafnium med syrenivåer så låga som 0,01 procent. Dessa nästan syrefria legeringspulver verkade vara mycket mer stabila än sina kommersiella motsvarigheter med högre syrehalt vid förhöjda temperaturer och under höga nivåer av stress.
"I den här studien, för första gången, optimala syrefria nanomaterial utvecklades, " säger Sina Shahbazmohamadi, en biträdande professor i biomedicinsk teknik vid UConn och en medförfattare på tidningen. "Olika karaktäriseringstekniker, inklusive avancerad aberrationskorrigerad transmissionselektronmikroskopi, avslöjade en signifikant förbättring av kornstorleksstabiliteten vid förhöjda temperaturer."
Kornstorleksstabilitet är viktigt för forskare som vill utveckla nästa generation av avancerade material. Som fina länkar i ett intrikat vävt nät, korn är de små fasta ämnen som metaller tillverkas av. Studier har visat att mindre korn är bättre när det gäller att göra starkare och segare metaller som är mindre benägna att spricka, bättre ledare av elektricitet, och mer hållbar vid höga temperaturer och under extrem stress. Nya tekniska framsteg har gjort det möjligt för materialforskare att utveckla spannmål i en skala av bara 10 nanometer, som är tiotusentals gånger mindre än tjockleken på ett pappersark eller bredden på ett människohår. Sådana nanokristaller kan bara ses under extremt kraftfulla mikroskop.
Men processen är inte perfekt. När vissa nanokorn skapas i bulk för applikationer som halvledare, stabiliteten av deras storlek kan fluktuera under högre temperaturer och stress. Det var under undersökningen av denna instabilitet som Shahbeigi-Roodposhti och UConns forskargrupp fick veta vilken roll syre spelade för att försvaga nanokristallernas stabilitet vid höga temperaturer.
Forskare vid UConn och North Carolina State University har funnit att en minskning av syrehalten i vissa nanokristallina material kan förbättra deras kornstorleksstabilitet vid förhöjda temperaturer. Den här grafiken visar stabilitetsmönstret för järn-krom-hafnium nanokorn med syre (representerat av röda trianglar) och utan syre (representerat av svarta rutor) när temperaturen ökar i förhållande till termodynamisk förutsägelse. Kredit:Peiman Shahbeigi-Roodposhti
"Detta är bara ett första steg, men denna undersökningslinje kan i slutändan leda till utveckling av snabbare jetmotorer, mer kapacitet i halvledare, och mer känslighet i biosensorer, " säger Shahbeigi-Roodposhti.
Går vidare, UConn-forskarna har för avsikt att testa sin teori på andra legeringar för att se om närvaron eller frånvaron av syre påverkar deras prestanda vid förhöjda temperaturer.
Studien, "Effekt av syrehalt på termisk stabilitet av kornstorlek för nanokristallina Fe10Cr och Fe14Cr4Hf legeringspulver, " som stöddes av finansiering från det amerikanska energidepartementet, visas för närvarande online i Journal of Alloys and Compounds .
