De flesta metaller och halvledare, från stålet i ett knivblad till kislet i en solpanel, består av många små kristallina korn. Sättet som dessa korn möts vid sina kanter kan ha stor inverkan på det fasta ämnets egenskaper, inklusive mekanisk styrka, elektrisk konduktivitet, termiska egenskaper, flexibilitet, och så vidare.

När gränserna mellan kornen är av en viss typ, kallas en koherent tvillinggräns (CTB), detta ger användbara egenskaper till vissa material, speciellt på nanoskala. Det ökar deras styrka, gör materialet mycket starkare samtidigt som det bevarar dess förmåga att deformeras, till skillnad från de flesta andra processer som ger styrka. Nu, forskare har upptäckt en ny deformationsmekanism för dessa tvillingkristallgränser, vilket kan hjälpa ingenjörer att ta reda på hur man mer exakt kan använda CTB för att justera egenskaperna hos vissa material.

Tvärtemot förväntningarna, det visar sig att ett materials kristallkorn ibland kan glida längs dessa CTB. Det nya fyndet beskrivs i ett papper som publicerades denna vecka i tidskriften Naturkommunikation av Ming Dao, en huvudsaklig forskare vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik; Subra Suresh, Vannevar Bush professor emeritus i ingenjörsvetenskap och nominerad president vid Nanyang Technological University i Singapore; Ju Li, Battelle Energy Alliance professor vid MIT:s avdelning för kärnkraftsvetenskap och teknik; och sju andra vid MIT och på andra håll.

Medan varje kristallkorn består av en ordnad tredimensionell uppsättning atomer i en gitterstruktur, CTB är platser där, på två sidor om en gräns, gallret bildar en spegelbild av strukturen på andra sidan. Varje atom på vardera sidan av den koherenta tvillinggränsen matchas exakt av en atom på en spegelsymmetrisk plats på andra sidan. Mycket forskning de senaste åren har visat att gitter som innehåller CTB i nanoskala kan ha mycket större styrka än samma material med slumpmässiga korngränser, utan att förlora en annan användbar egenskap som kallas duktilitet, som beskriver ett materials förmåga att sträckas.

Vissa tidigare undersökningar antydde att dessa tvillingkristallgränser inte kan glida på grund av det begränsade antalet defekter. Verkligen, inga experimentella observationer av sådan glidning har rapporterats tidigare vid rumstemperatur. Nu, en kombination av teoretisk analys och experimentellt arbete som redovisas i Naturkommunikation tidningen har visat att faktiskt, under vissa typer av belastningar kan dessa korn glida längs gränsen. Att förstå denna egenskap kommer att vara viktigt för att utveckla sätt att konstruera materialegenskaper för att optimera dem för specifika applikationer, säger Dao.

"Många höghållfasta nanokristallina material [med kornstorlekar mätta i mindre än 100 nanometer] har låg duktilitet och utmattningsegenskaper, och misslyckande växer ganska snabbt med lite stretching, " säger han. Omvänt, i metallerna som innehåller CTB, som "förstärker styrkan och bevarar den goda formbarheten." Men att förstå hur dessa material beter sig när de utsätts för olika mekaniska påfrestningar är viktigt för att kunna utnyttja dem för konstruktionsändamål. För en sak, det betyder att sättet som materialet deformeras på är ganska ojämnt:Förvrängningar i riktningen för CTBs plan kan ske mycket lättare än i andra riktningar.

Experimentet utfördes med koppar, men resultaten bör gälla vissa andra metaller med liknande kristallstrukturer, som guld, silver, och platina. Dessa material används ofta i elektroniska enheter, säger Dao. "Om du designar dessa material" med strukturer i storleksintervallet som utforskas i detta arbete, som involverar funktioner som är mindre än några hundra nanometer i diameter, "du måste vara medveten om dessa typer av deformationslägen."

Den glidande, en gång förstått, kan användas för betydande fördelar. Till exempel, forskare kunde designa extremt starka nanostrukturer baserat på det kända orienteringsberoendet; eller genom att veta vilken typ och riktning av kraft som krävs för att initiera glidningen, det kan vara möjligt att designa en enhet som kan aktiveras, som ett larm, som svar på en viss nivå av stress.

"Denna studie bekräftade CTB-glidning, som tidigare ansågs omöjligt, och dess speciella körförhållanden, " säger Zhiwei Shan, en senior medförfattare och dekanus för School of Materials Science and Engineering vid Xi'an Jiao Tong University i Kina. "Många saker kan bli möjliga när tidigare okända aktiverings- eller aktiveringsvillkor upptäcks."

"Detta arbete har genom både systematiska experiment och analys identifierat förekomsten av en viktig mekanisk egenskap som endast finns i vissa speciella typer av gränssnitt och på nanoskala. Med tanke på att detta fenomen potentiellt kan tillämpas på ett brett spektrum av kristallina material, man kan föreställa sig nya materialdesignmetoder som involverar nanostrukturer för att optimera en mängd olika mekaniska och funktionella egenskaper, " Säger Suresh.

"Denna upptäckt kan i grunden förändra vår förståelse av plastisk deformation i nanotvinnande metaller och borde vara av brett intresse för materialforskningssamhället, " säger Huajian Gao, Walter H. Annenberg professor i teknik vid Brown University, som inte var involverad i detta arbete.

Gao tillägger att "CTB är nyckeln till att konstruera nya nanotvinnade material med överlägsna mekaniska och fysikaliska egenskaper såsom styrka, duktilitet, seghet, elektrisk konduktivitet, och termisk stabilitet. Detta dokument förstärker vår kunskap inom detta område avsevärt genom att avslöja storskalig glidning av CTBs."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.