När de flesta tänker på keramik, de kanske föreställer sig sin favoritmugg eller en blomkruka. Men modern teknik är full av avancerad keramik, från kiselsolpaneler till keramiska supraledare och biomedicinska implantat.

Många av dessa avancerade polykristallina keramer är kombinationer av kristallina korn som, på mikroskopisk nivå, likna ett stengärde som hålls samman med kalkstensbruk. Som det där staketet, keramikens styrka bestäms av murbrukets hållfasthet - som i keramik är korngränsen, eller de områden där de olika kornen möts.

Tidigare, de flesta forskare trodde att kemin i dessa korngränser i keramik var mycket stabil. Men en ny studie av materialvetenskapliga ingenjörer vid University of Wisconsin-Madison visar att så inte är fallet. Faktiskt, i det viktiga keramiska materialet kiselkarbid, kolatomer samlas vid dessa korngränser när materialet utsätts för strålning. Upptäckten kan hjälpa ingenjörer att bättre förstå egenskaperna hos keramer och kan hjälpa till att finjustera en ny generation av keramiska material.

Detaljerna om studien visas idag i tidskriften Naturmaterial .

Sedan 1970-talet, forskare har varit medvetna om liknande strålningsinducerad segregation i metallegeringar. Eftersom metallatomer delar elektroner fritt, de kan blandas och blandas enkelt. När de bombarderas av jonstrålning, några av atomerna i metallerna kommer att hoppa ur sin plats och röra sig mot korngränserna, och om olika typer av atomer rör sig i olika hastigheter, legeringens kemi kan ändras.

Atomer i keramik är mycket selektiva om vilka grannar de binder till och bindningarna är mycket starkare än i metaller. Det var därför forskare trodde att dessa atomer inte var föremål för samma typ av segregation. Men när Izabela Szlufarska, en professor i materialvetenskap och teknik vid UW-Madison, började titta noga på korngränserna för kiselkarbid, det var inte vad hon hittade.

"I kiselkarbid, kisel och kol vill verkligen paras ihop; de vill vara 50 procent kol och 50 procent kisel, " hon säger.

Dock, när hennes team körde simuleringar och även avbildade korngränserna, kolkoncentrationen var endast 45 procent vid gränserna. "Kemin var helt enkelt dålig, " säger hon. "Det var den första överraskningen, eftersom detta material verkligen vill ha ordnade atomer."

Detta antydde att kiselkarbid också kan vara mottaglig för strålningsinducerad segregation. Så Szlufarska och hennes team bombarderade ämnet med jonstrålning, fann att mellan 300 grader Celsius och 600 grader Celsius, korngränserna upplevde kolanrikning.

På dessa energinivåer, strålningen får några kolatomer att hoppa ur sin plats, skapar ett par defekter i kiselkarbiden inklusive en tom plats som kallas en ledig plats och en lös kolatom som kallas en interstitial. Dessa obundna interstitiella atomer migrerar till korngränserna där de ackumuleras, påverkar materialets kemi.

Förutom det faktum att forskare helt enkelt inte trodde att den här typen av segregation kunde äga rum i keramik, Szlufarska säger att tills nyligen, de saknade också verktyg för att ens undersöka fenomenet. Efter noggrann tillverkning och beredning av bikristallerna av kiselkarbid, state-of-the-art scanning transmissionselektronmikroskopi utförd vid UW-Madison och Oak Ridge National Laboratory gjorde det möjligt för teamet att lösa den kemiska sammansättningen längs korngränserna.

Teamet tror att fenomenet sannolikt kommer att inträffa i andra polykristallina keramik också. Processen är ett tveeggat svärd:å ena sidan, strålningsinducerad segregation innebär att keramik utsätts för samma typer av skador och försämring vid sina korngränser som metallegeringar, fast vid olika temperaturer. Å andra sidan, segregeringen kan vara användbar inom materialteknik för att producera specialiserade versioner av keramik som kiselkarbid, som används i kärnkraft, jetmotorer och andra högteknologiska tillämpningar.

"Kanske kan strålningen användas som ett verktyg för att finjustera korngränskemin, säger Xing Wang, studiemedförfattare och en professor vid Pennsylvania State University som arbetade med forskningen samtidigt som han tog sin doktorsexamen vid UW-Madison. "Det kan vara användbart för oss i framtiden."