Metalliska material som används inom teknik måste vara starka och formbara – kapabla att bära höga mekaniska belastningar samtidigt som de kan motstå deformation utan att gå sönder. Huruvida ett material är svagt eller starkt, segt eller sprött bestäms dock inte bara av kristallkornen som utgör materialet, utan snarare av vad som händer i utrymmet mellan dem som kallas korngränsen. Trots årtionden av undersökningar förblir deformationsprocesser på atomnivå vid korngränsen svårfångade, tillsammans med hemligheten bakom att göra nya och bättre material.

Med hjälp av avancerad mikroskopi i kombination med nya datorsimuleringar som spårar atomrörelser, genomförde forskare vid Georgia Institute of Technology realtidsobservationer på atomnivå av korngränsdeformation i polykorniga metalliska material som kallas polykristallina material. Teamet observerade tidigare okända processer som påverkar materialegenskaper, såsom atomer som hoppar från ett plan till ett annat över en korngräns. Deras arbete, publicerat i Science i mars, tänjer på gränserna för undersökning på atomnivå och möjliggör en djupare förståelse av hur polykristallina material deformeras. Deras arbete öppnar nya vägar för smartare design av nya material för extrema tekniska tillämpningar.

"Det är fantastiskt att observera atomernas steg-för-steg-rörelser och sedan använda denna information för att dechiffrera den dynamiska glidprocessen för en korngräns med komplex struktur", säger Ting Zhu, professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering och en av huvudförfattarna till studien, som inkluderade medarbetare från Beijings tekniska universitet.

För att utveckla nya och bättre polykristallina material är det viktigt att förstå hur de deformeras på atomnivå. Teamet försökte uppnå realtidsobservation av korngränsglidning, ett välkänt deformationssätt som spelar en viktig roll för att styra styrkan och duktiliteten hos polykristallina material. De valde att arbeta med platina eftersom dess kristallstruktur är densamma som andra allmänt använda polykristallina material som stål, koppar och aluminium. Med platina skulle deras resultat och insikter vara allmänt tillämpliga på ett brett spektrum av material.

En kombination av nya metoder

Det krävdes flera viktiga innovationer för att genomföra experimentet. Teamet använde ett transmissionselektronmikroskop (TEM) för att fånga mycket förstorade bilder av atomer vid korngränser. TEM skickar en elektronstråle genom ett filmliknande platinaprov, bearbetat av teamet för att vara tillräckligt tunt för elektronöverföring. De utvecklade också en liten, millimeterstor testanordning som applicerar mekanisk kraft på ett prov och fästs på mikroskopet. TEM och enheten arbetar tillsammans för att skapa bilder på atomnivå av korngränser under deformation.

För att observera att korngränsen i atomär skala glider tydligare än genom att bara titta på TEM-bilderna, utvecklade forskarna en automatiserad atomspårningsmetod. Denna metod märker automatiskt varje atom i varje TEM-bild och korrelerar dem sedan mellan bilderna, vilket möjliggör spårning av alla atomer och deras rörelse under korngränsens glidning. Slutligen genomförde teamet datorsimuleringar av glidning av korngränser med hjälp av atomstrukturer extraherade från TEM-bilderna. Den simulerade glidningen hjälpte teamet att analysera och tolka händelser som hände på atomär skala. Genom att kombinera dessa metoder kunde de visualisera hur enskilda atomer rör sig vid en deformerande korngräns i realtid.

Resultat

Även om det var känt att korngränser glider under deformation av polykristallina material, avslöjade realtidsavbildning och analys av Zhu och hans team ett rikt utbud av atomära processer, några av dem tidigare okända.

De märkte att två närliggande korn under deformation gled mot varandra och fick atomer från ena sidan av korngränsplanet att överföras till den andra. Denna process, känd som atomplansöverföring, var tidigare okänd. De observerade också att lokala atomära processer effektivt kan ta emot överförda atomer genom att justera korngränsstrukturer, vilket kan vara fördelaktigt för att uppnå högre duktilitet. Bildanalys och datorsimuleringar visade att mekaniska belastningar var höga under atomprocesserna, och att detta underlättade överföringen av atomer och atomplan. Deras resultat tyder på att konstruktion av korngränserna för finkorniga polykristaller är en viktig strategi för att göra material starkare och mer sega.

Se framåt

Zhu och hans teams demonstrerade förmåga att observera, spåra och förstå korngränsdeformation i atomskala öppnar fler forskningsmöjligheter för att ytterligare undersöka gränssnitt och felmekanismer i polykristallina material. Större förståelse för deformation på atomnivå kan informera om hur material utvecklas under korngränskonstruktion, en nödvändighet för att skapa exceptionella hållfasthets- och duktilitetskombinationer.

"Vi utökar nu vårt tillvägagångssätt för att visualisera deformation i atomär skala vid högre temperaturer och deformationshastigheter, i jakten på bättre material för extrema tillämpningar", säger Xiaodong Han, en annan huvudförfattare till artikeln och professor vid Beijings tekniska universitet.

Zhu tror att de datarika resultaten från deras observationer och avbildning på atomnivå i realtid skulle kunna integreras med maskininlärning för djupare undersökning av materialdeformationer, och detta skulle kunna påskynda upptäckten och utvecklingen av material snabbare än man tidigare trott var möjligt.

"Vårt arbete visar vikten av att använda mycket högupplöst mikroskopi för att förstå materialbeteende på atomnivå. Detta framsteg kommer att göra det möjligt för forskare att skräddarsy material för optimala egenskaper med hjälp av atomdesign", säger Zhu. + Utforska vidare

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