Ett team av forskare har gjort det starkaste silver någonsin – 42 procent starkare än det tidigare världsrekordet. Men det är inte det viktiga.

"Vi har upptäckt en ny mekanism som fungerar på nanoskala som gör att vi kan tillverka metaller som är mycket starkare än något som någonsin gjorts tidigare - samtidigt som vi inte förlorar någon elektrisk ledningsförmåga, säger Frederic Sansoz, en materialvetare och professor i maskinteknik vid University of Vermont som var med och ledde den nya upptäckten.

Detta grundläggande genombrott lovar en ny kategori av material som kan övervinna en traditionell kompromiss i industriella och kommersiella material mellan styrka och förmåga att överföra elektrisk ström.

Teamets resultat publicerades den 23 september i tidskriften Naturmaterial .

Att tänka om defekten

Alla metaller har defekter. Ofta leder dessa defekter till oönskade egenskaper, som sprödhet eller mjukgörande. Detta har fått forskare att skapa olika legeringar eller tunga materialblandningar för att göra dem starkare. Men när de blir starkare, de förlorar elektrisk ledningsförmåga.

"Vi frågade oss själva, hur kan vi göra ett material med defekter men övervinna uppmjukningen samtidigt som vi behåller den elektriska ledningsförmågan, sa Morris Wang, en ledande forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory och medförfattare till den nya studien.

Genom att blanda en spårmängd koppar i silvret, teamet visade att det kan omvandla två typer av inneboende nanoskaliga defekter till en kraftfull intern struktur. "Det beror på att föroreningar direkt attraheras av dessa defekter, " förklarar Sansoz. Med andra ord, laget använde en kopparförorening - en form av dopning eller "mikrolegering" som forskarna stilar det - för att kontrollera beteendet hos defekter i silver. Som en sorts jiu-jitsu i atomskala, forskarna vände defekterna till sin fördel, använda dem för att både stärka metallen och bibehålla dess elektriska ledningsförmåga.

För att göra sin upptäckt, teamet – inklusive experter från UVM, Lawrence Livermore National Lab, Ames Laboratory, Los Alamos National Laboratory och UCLA – började med en grundläggande idé om materialteknik:när storleken på en kristall – eller materialkorn – blir mindre, det blir starkare. Forskare kallar detta för Hall-Petch-relationen. Denna allmänna designprincip har gjort det möjligt för forskare och ingenjörer att bygga starkare legeringar och avancerad keramik i över 70 år. Det fungerar väldigt bra.

Tills det inte gör det. Så småningom, när metallkorn når en oändligt liten storlek – under tiotals nanometer breda – blir gränserna mellan kornen instabila och börjar röra sig. Därför, ett annat känt tillvägagångssätt för att stärka metaller som silver använder nanoskala "koherenta tvillinggränser, " som är en speciell typ av korngräns. Dessa strukturer av parade atomer - som bildar ett symmetriskt spegelliknande kristallint gränssnitt - är oerhört starka mot deformation. Förutom att dessa tvillinggränser, för, blir mjuka när deras mellanrum faller under en kritisk storlek på några nanometer, på grund av ofullkomligheter.

Oöverträffade egenskaper

Mycket grovt sett, nanokristaller är som fläckar av tyg och nanotwins är som starka men små trådar i tyget. Förutom att de är på atomär skala. Den nya forskningen kombinerar båda tillvägagångssätten för att göra vad forskarna kallar en "nanokristallin-nanovinnad metall, " som har "oöverträffade mekaniska och fysikaliska egenskaper, " skriver laget.

Det beror på att kopparatomerna, något mindre än silveratomerna, flytta in i defekter i både korngränserna och tvillinggränserna. Detta gjorde det möjligt för teamet – att använda datorsimuleringar av atomer som utgångspunkt och sedan flytta in i riktiga metaller med avancerade instrument vid National Laboratories – att skapa den nya superstarka formen av silver. De små kopparföroreningarna i silvret hindrar defekterna från att röra sig, men är en så liten mängd metall – mindre än en procent av totalen – att silvers rika elektriska ledningsförmåga bibehålls. "Kopparatomföroreningarna går längs varje gränssnitt och inte däremellan, "Sansoz förklarar. "Så de stör inte elektronerna som fortplantar sig igenom."

Denna metall övervinner inte bara den uppmjukning som tidigare observerats när korn och tvillinggränser blir för små – den så kallade "Hall-Petch-nedbrytningen" – den överskrider till och med den långvariga teoretiska Hall-Petch-gränsen. Teamet rapporterar att en "ideal maximal styrka" kan hittas i metaller med tvillinggränser som är mindre än sju nanometer från varandra, bara några få atomer. Och en värmebehandlad version av lagets kopparspetsade silver har ett hårdhetsmått över vad man hade trott vara det teoretiska maximumet.

"Vi har slagit världsrekord, och Hall-Petch-gränsen också, inte bara en gång utan flera gånger under denna studie, med mycket kontrollerade experiment, säger Sansoz.

Sansoz är övertygad om att teamets metod för att göra superstarkt och fortfarande ledande silver kan tillämpas på många andra metaller. "Det här är en ny klass av material och vi har precis börjat förstå hur de fungerar, " säger han. Och han förutser att den grundläggande vetenskapen som avslöjas i den nya studien kan leda till framsteg inom teknik – från effektivare solceller till lättare flygplan till säkrare kärnkraftverk. "När du kan göra material starkare, du kan använda mindre av det, och det håller längre, " han säger, "och att vara elektriskt ledande är avgörande för många applikationer."