Teamet, ledd av nanoteknikprofessorn Michael Demkowicz, publicerade sina resultat den 10 oktober 2022 i tidskriften Nature Materials.
"Om vi förstår ursprunget till mekaniska sprickor kan vi designa sätt att stoppa fel i sin linda", säger Demkowicz.
Demkowicz och hans medarbetare undersökte hur sprickor börjar vid nanoskaliga kristalldefekter på fasta ytor. När de väl har initierats kan dessa sprickor växa med liten eller ingen kraft som appliceras på materialet, vilket gör enheter oanvändbara eller till och med farliga.
Teamet observerade att frakturprocessen vid kristalldefekten är mycket dynamisk - involverar förändringar i den underliggande atombindningen. De gjorde observationer med ett banbrytande scannande tunnelmikroskop som kombinerar lågtemperaturs kryogena egenskaper, mekanisk deformation och en unik förmåga att undersöka förändringar i materialets elektroniska struktur i atomär skala.
"Vår skanningssond kombinerar en rad experimentella metoder för att övervaka mekaniskt beteende och elektroniska fenomen i nanoskala under extrema förhållanden, vilket tidigare varit omöjligt", säger Demkowicz.
Genom direkt visualisering av sprickbeteendet och elektroniska egenskaper kopplade teamet sprickprocesser till kvantnaturen hos den underliggande atomstrukturen.
Genom att kemiskt förändra bindningarna vid sprickspetsen i nanoskala kunde teamet undertrycka sprickan från att fortplanta sig och på så sätt förbättra materialets seghet.
Forskarna föreslår att resultaten kan ge nya riktningar för design och utveckling av mekaniskt robusta material och anordningar som används i ett brett spektrum av applikationer, från flygplan till biomedicinska implantat och elektroniska enheter.
"Denna upptäckt belyser det faktum att sprickornas ursprung är mycket dynamiska, och det gör att vi kan föreställa oss vägar för tekniska material och enhetsgeometrier som är resistenta mot misslyckanden", säger Demkowicz.
Referens :
Kaitlin O'Brien, Benjamin J. McEnaney, Michael J. Cawkwell, James Ciston och Michael J. Demkowicz, "Undertryckning av nanoskala fraktur genom kemisk kontroll av sprickspets elektronisk struktur," Nature Materials (10 oktober 2022). DOI:10.1038/s41563-022-01334-0.
