När tillverkningstekniker förvandlar metaller, keramik eller kompositer till en tekniskt användbar form, är det viktigt att förstå mekanismen för fasomvandlingsprocessen för att forma beteendet hos dessa högpresterande material. Det är dock svårt att se dessa förändringar i realtid.

En ny studie i tidskriften Nature , ledd av professor Guangwen Zhou från Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering och Materials Science-programmet vid Binghamton University, använder transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att titta in i oxid-till-metall-transformationen vid atomär nivå. Av särskilt intresse är de dislokationer som inte överensstämmer med varandra som alltid är närvarande vid gränssnitten i flerfasmaterial och spelar en nyckelroll när det gäller att diktera strukturella och funktionella egenskaper.

Zhous elever Xianhu Sun och Dongxiang Wu är de första medförfattarna till artikeln ("Dislokationsinducerad stop-and-go-kinetik för gränssnittstransformationer"). Sun avslutade nyligen sin doktorsexamen. avhandling, och Wu är en Ph.D. kandidat. Andra bidragsgivare är Lianfeng Zou, MS '12, Ph.D. '17, nu professor vid Yanshan University, och Ph.D. kandidat Xiaobo Chen; Professor Judith Yang, gästforskningsassistent Stephen House och postdoktorn Meng Li från University of Pittsburghs Swanson School of Engineering; och stabsforskaren Dmitri Zakharov från Center for Functional Nanomaterials, ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid Brookhaven National Lab.

Genom att använda den avancerade tekniken, sade Zhou, "kan tillverkare kanske kontrollera mikrostrukturen och egenskaperna hos nuvarande material och designa nya typer av material. Det finns en viss praktisk betydelse för denna forskning, men det finns också en grundläggande betydelse."

Experimenten testade omvandlingen av kopparoxid till koppar. Att direkt observera en sådan gränssnittstransformation på atomär skala är utmanande eftersom det kräver en förmåga att inte bara komma åt det begravda gränssnittet utan också att applicera kemiska och termiska stimuli för att driva transformationen.

Genom att använda miljömässiga TEM-tekniker som kan introducera vätgas i mikroskopet för att driva oxidreduktionen samtidigt som TEM-avbildningen utfördes, kunde forskargruppen atomiskt övervaka gränssnittsreaktionen. Överraskande observerade forskarna att omvandlingen från kopparoxid till koppar sker på ett intermittent sätt eftersom den tillfälligt stoppas av dislokationer som inte passar ihop, ett beteende som liknar en stop-and-go-process som regleras av trafikljus.

"Detta är oväntat, eftersom det sunt förnuft som accepteras av materialforskningssamhället är att gränssnittsdislokationer är platserna för att underlätta transformationen snarare än att fördröja den," sa Zhou.

För att förstå vad som var på jobbet utvecklade Wu datorkoder för att förklara vad de bevittnade i experiment. Denna fram-och-tillbaka-process mellan experiment och datormodellering hjälpte teamet att förstå hur misspassade dislokationer styr den långväga transporten av atomer som behövs för fastransformationen.

"Denna looping, iterativa process mellan experiment och datormodellering, både på atomnivå, är en spännande aspekt för materialforskning," sa Zhou.

Den grundläggande informationen kan visa sig användbar för att designa nya typer av flerfasmaterial och kontrollera deras mikrostruktur, som kan användas i olika applikationer såsom bärande strukturmaterial, elektronisk tillverkning och katalytiska reaktioner för ren energiproduktion och miljömässig hållbarhet.

Efter att ha samlat in första data vid Binghamton, upprepade Sun och forskargruppen experimenten med utrustning i Pitt och Brookhaven, som har olika kapacitet.

"Det här är ett samarbetsarbete. Utan faciliteten vid Brookhaven Lab och University of Pittsburgh kan vi inte se vad vi behöver se," sa Sun. "Dessutom, i de sena stadierna av min analysdata, pratade jag igenom resultaten med Judy, Meng och Dmitri många gånger. Jag minns att när vi avslutade det första utkastet och skickade manuskriptet till Dmitri sa han till mig att vi kanske borde inkludera några ekvationer för att bekräfta våra observerade resultat, och han skickade lite relevant litteratur. Så nu kan vi visa att dessa beräkningar stämmer överens med våra experimentella resultat."

Yang kallade också forskningen "ett riktigt trevligt partnerskap" som samlade de bästa delarna av Binghamton, Pitt och Brookhaven.

"Förmågan att använda förgrundsverktyg är en av de saker som underbygger ny vetenskap, som exemplifieras här," sa hon. "Brookhaven har ett exceptionellt mikroskop som kan ta miljöstress vid högre tryck än det vi har vid University of Pittsburgh, och det har högre analytisk förmåga. Men University of Pittsburgh är ett bra högupplöst transmissionselektronmikroskop som kan acceptera gas, det är ett mer robust mikroskop. Det finns också mer forskningstid tillgänglig."

Hon använde en analogi för att förklara varför det är viktigt att se kemiska reaktioner ske i realtid:"När du köper fisk och den är förpackad, finns det bara så mycket du kan förstå om den fisken i motsats till att se fisken i en verklig miljö."

Eftersom DOE:s nationella laboratorier kan erbjuda toppmoderna instrument och expertis av högsta kvalitet som kompletterar det som finns tillgängligt vid universitet och högteknologisk industri, kan de hjälpa forskare – särskilt de som är tidigt i karriären – att ta sitt arbete till nästa nivå, i de flesta fall gratis.

Zakharov sa att han är glad över att ha spelat en roll i denna materialforskning:"Kraften med tekniken är att det är en direkt metod för att se alla dessa dislokationer och fastransformationer. Du kan kontrollera reaktionen och du kan gå fram och tillbaka för att observera hur dessa dislokationer i gränssnitten beter sig. Det finns ingen annan teknik med en sådan direkt observation."

Sun – som nu arbetar vid Lawrence Berkeley National Laboratory, också ett DOE National Lab – är glad över att äntligen få denna forskning publicerad.

"Jag började analysera dessa data i mars 2018, så det har tagit nästan fem år att slutföra det här arbetet," sa han. "Det är utmanande, men det är värt det." + Utforska vidare

Ny forskning kan hjälpa renare energiteknik