I nästan 100 år, forskare trodde att de förstod allt som fanns att veta om hur metaller böjs. De hade fel.

Materialvetenskap och ingenjörsforskare vid University of Wisconsin-Madison har visat att reglerna för metallböjning inte är så hårda och snabba trots allt. De beskrev sina fynd den 9 augusti i tidskriften Naturkommunikation .

Deras överraskande upptäckt upphäver inte bara tidigare föreställningar om hur metaller deformeras, men kan hjälpa till att vägleda skapandet av starkare, mer hållbara material.

"Detta skapar nya möjligheter för materialdesign, " säger Izabela Szlufarska, professor i materialvetenskap och teknik vid UW-Madison. "Det lägger till ytterligare en parameter som vi kan kontrollera för att möjliggöra styrka och duktilitet."

Duktilitet är en metalls förmåga att böjas. De flesta tillvägagångssätt för att öka en metalls styrka gör det på bekostnad av flexibiliteten - och när metaller blir mer motståndskraftiga mot böjning, de är mer benägna att spricka under tryck.

Dock, forskarnas nya mekanism för böjning kan göra det möjligt för ingenjörer att förstärka ett material utan att löpa risk för frakturer.

Det är ett framsteg som har särskilt intresse för USA:s armé, som har ett akut behov av starka och hållbara material för att kunna hålla trupperna säkra i stridszoner.

"Professor Szlufarska har öppnat ett helt nytt område för utforskning av strukturella materialbearbetning och design, sa Michael Bakas, programledare för syntes och bearbetning vid Army Research Office i U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory. "Genom att göra en så storslagen upptäckt, Professor Szlufarska har potentiellt lagt den tekniska grunden för utvecklingen av en ny generation av avancerade konstruktionsmaterial som så småningom kan användas i framtida arméutrustning och fordon."

Ingenjörer manipulerar vanligtvis styrkan hos en metall genom tekniker som kallbearbetning eller glödgning, som utövar sina effekter genom små, ändå viktigt, strukturella oegentligheter som kallas dislokationer.

"Alla i metallsamhället vet att dislokationer är kritiska, säger Szlufarska.

Det är en truism som har hållits sedan 1934, när tre forskare oberoende insåg att dislokation förklarade en uråldrig paradox:Metaller är mycket lättare att böja än vad deras molekylära strukturer – som vanligtvis tar formen av regelbundet upprepade tredimensionella rutnät – skulle antyda.

Dislokationer är små ojämnheter i det annars välordnade kristallgittret i en metall. De uppstår på grund av små felmatchningar – se sidorna i en bok som rader av atomer, och föreställ dig hur den prydliga pappersbunten blir lite förvriden på platsen där någon sätter in ett bokmärke.

Normala metaller böjs eftersom dislokationer kan röra sig, tillåta ett material att deformeras utan att slita isär varje enskild bindning inuti dess kristallgitter på en gång.

Förstärkningstekniker begränsar vanligtvis rörelsen av dislokationer. Så det var en chock när Szlufarska och kollegor upptäckte att materialet samariumkobolt – känt som ett intermetalliskt material – böjdes lätt, även om dess förskjutningar var låsta på plats.

"Man trodde att metalliska material skulle vara i sig spröda om dislokationsglidning är sällsynt, " säger Hubin Luo, en före detta forskare i Szlufarskas labb som nu arbetar vid Ningbo Institute of Industrial Technology i Kina. "Dock, vår senaste studie visar att ett intermetalliskt material kan deformeras plastiskt med en betydande mängd även när dislokationsglidningen är frånvarande."

Istället, böjning av samariumkobolt fick smala band att bildas inuti kristallgittret, där molekyler antog en fri form "amorf" konfiguration istället för den vanliga, rutnätsliknande struktur i resten av metallen.

Dessa amorfa band tillät metallen att böjas.

"Det är nästan som smörjning, " säger Szlufarska. "Vi förutspådde detta i simuleringar, och vi såg också de amorfa skjuvbanden i våra deformationsstudier och experiment med transmissionselektronmikroskopi."

En kombination av beräkningssimuleringar och experimentella studier var avgörande för att förklara det förbryllande resultatet, vilket är anledningen till att Szlufarska och hennes grupp var exceptionellt lämpade för att spräcka mysteriet.

"Det är ofta lättare att utföra teoretiska simuleringar för att förklara existerande experimentella resultat, " säger Hongliang Zhang, en UW-Madison postdoktor. "Här, vi förutspådde först teoretiskt förekomsten av skjuvband och deras roll i plasticitet i samariumkobolt; dessa var helt överraskande fenomen. Vi bekräftade sedan dessa resultat experimentellt med många olika typer av experiment för att testa vår teori och för att vara säkra på att det förutspådda fenomenet verkligen kan observeras i naturen."

Forskarna planerar att söka efter andra material som också kan böjas på detta märkliga sätt. Så småningom, de hoppas kunna använda fenomenet för att trimma ett material egenskaper för styrka och flexibilitet.

"Detta kan förändra hur du letar efter optimering av materialegenskaper, " säger Szlufarska. "Vi vet att det är annorlunda, vi vet att det är nytt, och vi tror att vi kan använda det."