Rice University-ingenjörer som härmar processer i atomskala för att göra dem tillräckligt stora för att se har modellerat hur skjuvning påverkar korngränserna i polykristallina material.

Att gränserna kan ändras så lätt var inte helt en överraskning för forskarna, som använde snurrande arrayer av magnetiska partiklar för att se vad de misstänker händer i gränssnittet mellan feljusterade kristalldomäner.

Enligt Sibani Lisa Biswal, professor i kemi- och biomolekylär ingenjörskonst vid Rices George R. Brown School of Engineering, och doktorand och huvudförfattare Dana Lobmeyer, kan gränssnittsskjuvning vid gränsen mellan kristall och tomrum verkligen driva hur mikrostrukturer utvecklas.

Tekniken som rapporteras i Science Advances kan hjälpa ingenjörer att designa nya och förbättrade material.

För blotta ögat verkar vanliga metaller, keramik och halvledare enhetliga och solida. Men i molekylär skala är dessa material polykristallina, åtskilda av defekter som kallas korngränser. Organisationen av dessa polykristallina aggregat styr sådana egenskaper som konduktivitet och styrka.

Under applicerad stress kan korngränser bildas, omkonfigureras eller till och med försvinna helt för att tillgodose nya förhållanden. Även om kolloidala kristaller har använts som modellsystem för att se gränser flyttas, har det varit en utmaning att kontrollera deras fasövergångar.

"Vad som skiljer vår studie åt är att i majoriteten av kolloidala kristallstudier bildas korngränserna och förblir stationära," sa Lobmeyer. "De är i huvudsak huggna i sten. Men med vårt roterande magnetfält är korngränserna dynamiska och vi kan se deras rörelse."

I experiment inducerade forskarna kolloider av paramagnetiska partiklar för att bilda 2D polykristallina strukturer genom att snurra dem med magnetfält. Som nyligen visats i en tidigare studie är denna typ av system väl lämpade för att visualisera fasövergångar som är karakteristiska för atomsystem.

Här såg de att gas och fasta faser kan samexistera, vilket resulterar i polykristallina strukturer som inkluderar partikelfria regioner. De visade att dessa tomrum fungerar som källor och sänkor för förflyttning av korngränser.

Den nya studien visar också hur deras system följer den långvariga Read-Shockley-teorin om hård kondenserad materia som förutsäger felorienteringsvinklarna och energierna för lågvinkla korngränser, de som kännetecknas av en liten felinriktning mellan intilliggande kristaller.

Genom att applicera ett magnetfält på de kolloidala partiklarna fick Lobmeyer de järnoxidinbäddade polystyrenpartiklarna att samlas och såg hur kristallerna bildade korngränser.

"Vi började vanligtvis med många relativt små kristaller," sa hon. "Efter en tid började korngränserna försvinna, så vi trodde att det kunde leda till en enda, perfekt kristall."

Istället bildades nya korngränser på grund av skjuvning vid hålrumsgränsytan. I likhet med polykristallina material följde dessa felorienteringsvinkeln och energiförutsägelser som Read och Shockley gjorde för mer än 70 år sedan.

"Korngränser har en betydande inverkan på materialens egenskaper, så att förstå hur tomrum kan användas för att kontrollera kristallina material erbjuder oss nya sätt att designa dem," sa Biswal. "Vårt nästa steg är att använda detta avstämbara kolloidala system för att studera glödgning, en process som involverar flera uppvärmnings- och kylcykler för att ta bort defekter i kristallina material."

National Science Foundation (1705703) stödde forskningen. Biswal är William M. McCardell-professor i kemiteknik, professor i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst och i materialvetenskap och nanoteknik. + Utforska vidare

Använda elektronmikroskopi och automatisk atomspårning för att lära dig mer om korngränser i metaller under deformation