Metallurger har alla möjliga sätt att göra en bit metall hårdare. De kan böja den, vrid det, kör den mellan två rullar eller slå den med en hammare. Dessa metoder fungerar genom att bryta upp metallens kornstruktur - de mikroskopiska kristallina domänerna som bildar en bulkbit av metall. Mindre korn ger hårdare metaller.

Nu, en grupp forskare från Brown University har hittat ett sätt att anpassa metalliska kornstrukturer nerifrån och upp. I en artikel publicerad i tidskriften Chem , forskarna visar en metod för att krossa enskilda metallnanokluster för att bilda solida makroskaliga stycken av solid metall. Mekanisk testning av metallerna som tillverkats med tekniken visade att de var upp till fyra gånger hårdare än naturligt förekommande metallstrukturer.

"Hamning och andra härdningsmetoder är alla uppifrån och ner sätt att ändra kornstrukturen, och det är väldigt svårt att kontrollera kornstorleken du slutar med, sa Ou Chen, en biträdande professor i kemi vid Brown och motsvarande författare till den nya forskningen. "Vad vi har gjort är att skapa nanopartikelbyggstenar som smälter samman när du klämmer dem. På så sätt kan vi ha enhetliga kornstorlekar som kan justeras exakt för förbättrade egenskaper."

För denna studie, forskarna gjorde "mynt" i centimeterskala med hjälp av nanopartiklar av guld, silver, palladium och andra metaller. Föremål av denna storlek kan vara användbara för att tillverka högpresterande beläggningsmaterial, elektroder eller termoelektriska generatorer (enheter som omvandlar värmeflöden till elektricitet). Men forskarna tror att processen lätt kan skalas upp för att göra superhårda metallbeläggningar eller större industriella komponenter.

Nyckeln till processen, Chen säger, är den kemiska behandlingen som ges till nanopartiklarnas byggstenar. Metallnanopartiklar är vanligtvis täckta med organiska molekyler som kallas ligander, som i allmänhet förhindrar bildandet av metall-metallbindningar mellan partiklar. Chen och hans team hittade ett sätt att ta bort dessa ligander kemiskt, låter klustren smälta samman med bara lite tryck.

Metallmynten som tillverkades med tekniken var betydligt hårdare än standardmetall, forskningen visade. Guldmynten, till exempel, var två till fyra gånger svårare än normalt. Andra egenskaper som elektrisk ledning och ljusreflektans var praktiskt taget identiska med standardmetaller, fann forskarna.

De optiska egenskaperna hos guldmynten var fascinerande, Chen säger, eftersom det skedde en dramatisk färgförändring när nanopartiklarna komprimerades till bulkmetall.

"På grund av det som är känt som den plasmoniska effekten, guld nanopartiklar är faktiskt lila-svarta till färgen, " sa Chen. "Men när vi utövade påtryckningar, vi ser dessa lila kluster plötsligt övergå till en ljus guldfärg. Det är ett av sätten vi visste att vi faktiskt hade bildat bulkguld."

I teorin, Chen säger, tekniken kunde användas för att tillverka vilken typ av metall som helst. Faktiskt, Chen och hans team visade att de kunde göra en exotisk form av metall känd som ett metalliskt glas. Metallglas är amorfa, vilket betyder att de saknar den regelbundet återkommande kristallina strukturen hos normala metaller. Det ger upphov till anmärkningsvärda egenskaper. Metallglas är lättare att forma än traditionella metaller, kan vara mycket starkare och mer sprickbeständig, och uppvisar supraledning vid låga temperaturer.

"Att göra metalliskt glas från en enda komponent är notoriskt svårt att göra, så de flesta metallglas är legeringar, ", sa Chen. "Men vi kunde börja med amorfa palladiumnanopartiklar och använda vår teknik för att göra ett metalliskt palladiumglas."

Chen säger att han är hoppfull att tekniken en dag kan komma att användas i stor utsträckning för kommersiella produkter. Den kemiska behandlingen som används på nanoklustren är ganska enkel, och trycken som används för att klämma ihop dem ligger väl inom intervallet för industriell standardutrustning. Chen har patenterat tekniken och hoppas kunna fortsätta studera den.

"Vi tror att det finns mycket potential här, både för industrin och för det vetenskapliga samfundet, " sa Chen.