Forskarna, ledda av materialvetenskap och ingenjörsprofessor Julia Greer, fann att genom att lägga till ett sekundärt material som lätt smälter till ytan av tunna filmer, kunde de stoppa sprickor från att bildas och föröka sig.
I en tidning som publicerades i numret av Nature Communications den 15 juni beskriver Greer och hennes kollegor hur ett ultratunt lager av gallium till guld gör guldytor mycket mer motståndskraftiga mot brott.
"Detta handlar om att kontrollera materialfel i minsta skala", säger Greer, som också fungerar som chef för UC San Diego Materials Research Laboratory (MRL). "Vi använder smältbeteendet hos gallium för att hämma sprickbildning, och eftersom det är ett konformt lager fungerar det i olika geometrier och över en rad sprickstorlekar."
I de flesta tekniska material börjar sprickor vid defekter och växer under belastning tills materialet går sönder. Enligt Greer är denna konventionella bild av fraktur ofullständig. Hon föreslår att sprickor bildar kärnor inte bara från defekter i större skala, utan också från mindre ytjämnheter.
"Fraktur har traditionellt sett uppstått i mikroskala eller större," sa Greer. "Men sprickor skapas av processer i atomskala. Vi redogör för dessa processer, som normalt ignoreras."
Forskarna testade sin hypotes med tunna guldfilmer avsatta på ett glassubstrat. Filmerna utsattes sedan för dragbelastning och teamet observerade brottbeteendet hos filmerna med hjälp av elektronmikroskopi.
De fann att guldfilmerna med galliumskiktet uppvisade betydligt högre brottseghet än de rena guldfilmerna. Galliumskiktet förhindrade bildning av sprickor, även när guldfilmerna utsattes för höga dragbelastningar.
Teamets resultat tyder på att ett materials brottseghet kan förbättras avsevärt genom att helt enkelt lägga till ett lager av material som smälter vid en lägre temperatur än själva materialet. Detta tillvägagångssätt skulle kunna användas för att förbättra tillförlitligheten och hållbarheten hos ett brett utbud av material och strukturer, från flygplanskomponenter till elektroniska enheter.
"Vi pratar om tunna beläggningar - mindre än en miljondels meter - men de har en djupgående inverkan på brottbeteendet," sa Greer. "Denna insikt har implikationer för tillverkning och materialdesign."
Förutom Greer inkluderade forskargruppen MRL-studenter Xiaoyue Ma och Qiang Yu. Forskningen stöddes av National Science Foundation och Air Force Office of Scientific Research.
Flygindustrin använder för närvarande nitar för att sammanfoga metallplåtar i flygplanskonstruktioner. Användningen av nitar skapar dock spänningskoncentrationer, vilket kan leda till sprickor och eventuellt fel. Tillsatsen av ett tunt lager gallium till ytorna på dessa ark kan hjälpa till att förhindra sprickbildning och förbättra den övergripande säkerheten och tillförlitligheten hos flygplanskonstruktioner.
Elektroniska enheter är också känsliga för sprickbildning, särskilt på nanoskala. Användningen av ett galliumskikt kan hjälpa till att förhindra att sprickor bildas i dessa enheter, vilket förbättrar deras tillförlitlighet och prestanda.
Upptäckten av Greer och hennes team har viktiga konsekvenser för flyg- och elektronikindustrin, såväl som andra industrier som förlitar sig på tunna filmer. Genom att lägga till ett sekundärt material som lätt smälter till ytan av tunna filmer kan ingenjörer avsevärt förbättra brottsegheten och tillförlitligheten hos dessa material.
