Från smeder som smider järn till hantverkare som blåser glas, människor har i århundraden ändrat materialegenskaper för att bygga bättre verktyg - från järnhästskor och svärd till glasburkar och medicinflaskor.

I det moderna livet, nya material skapas för att förbättra dagens föremål, som starkare stål för skyskrapor och mer tillförlitliga halvledare för mobiltelefoner.

Nu, forskare vid Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har upptäckt ett nytt tillvägagångssätt för att detaljera bildandet av dessa materiella förändringar i atomskala och i nästan realtid, ett viktigt steg som kan hjälpa till att konstruera bättre och starkare nya material.

I en studie publicerad 16 januari i Naturmaterial , forskare vid Argonne's Advanced Photon Source, en DOE Office of Science User Facility, avslöjar att de har - för första gången någonsin - tagit bilder av skapandet av strukturella defekter i palladium när metallen utsätts för väte.

Denna bildförmåga hjälper forskare att validera modeller som förutsäger materialets beteende och hur de bildar defekter. Defekteknik är praktiken att avsiktligt skapa defekter i ett material för att ändra materialets egenskaper. Denna kunskap är nyckeln till att utveckla bättre, starkare och mer tillförlitliga material för byggnader, halvledare, batterier, tekniska enheter och många andra föremål och verktyg.

"Defekt teknik bygger på tanken att du kan ta något du redan känner till egenskaperna hos och, genom att sätta in defekter eller brister, konstruera saker med förbättrade egenskaper, "sade Argonne -forskaren Andrew Ulvestad, en av författarna till studien. "Praktiken gäller inte bara metaller utan material som har en kristallstruktur, som de som finns i solceller och batterikatoder. "

Defekteknik används för att optimera materialdesign på en mängd olika områden, men det är oftast förknippat med utvecklingen av halvledare. Halvledarmaterial, som kisel, används som elektriska komponenter; de utgör grunden för det mesta av vår moderna elektronik, inklusive bärbara datorer och mobiltelefoner.

I en process som kallas "dopning, "Tillverkare skapar defekter i dessa material genom att lägga till föroreningar för att manipulera sina elektriska egenskaper för olika tekniska användningsområden.

Medan tillverkarna vet att de kan ändra egenskaperna hos olika material för att få de attribut de vill ha, processerna som styr dessa förändringar är inte alltid tydliga.

För att öka förståelsen för sådana processer, Argonne -forskare fokuserade specifikt på defekter som bildades på nanoskala. Defekter, gränssnitt och fluktuationer på denna mycket små nivå kan ge kritisk inblick i materialfunktioner, såsom deras termiska, elektroniska och mekaniska egenskaper, i större skala.

För att fånga bildandet av defekter, Argonne -teamet tog ett nanostrukturerat prov av palladium och injicerade, eller infunderad, det med väte vid högt tryck. På samma gång, de utsatte provet för kraftfulla röntgenstrålar vid Advanced Photon Source.

När du träffade palladiumkristallen, röntgenstrålarna spridda, och deras dispersionsmönster fångades upp av en detektor och användes för att beräkna förändringarna av atomen i palladiumstrukturen. Väsentligen, denna process gjorde det möjligt för forskare att "se" deformationer i materialet.

"På vissa sätt, vi fick en på en miljon skott, eftersom defekter som uppstår i kristallen inte alltid händer på grund av processens komplexa karaktär, "sa Argonne -fysikern Ross Harder, en annan författare i studien.

Förändringarna som visas i skanningarna exemplifierar de många sätt på vilka defekter kan förändra materialegenskaper och hur de reagerar på yttre stimuli. Till exempel, de defekter som bildades förändrade trycket vid vilket palladium kunde lagra och släppa ut väte, kunskap som kan vara användbar för vätelagring, avkännings- och reningstillämpningar, sa forskarna.

Defekta tekniska metoder används redan för att studera andra system, inklusive batterikatod -nanopartiklar. Dock, studien som leds av Ulvestad och Harder är den första som fångar upp bildandet av defekter när de händer.

"Det vi har gjort är att skapa en färdplan för andra forskare. Vi har visat dem ett sätt att modellera detta system och system som har liknande dynamik, Sa Ulvestad.