(PhysOrg.com) - Forskare vid California Institute of Technology har utvecklat ett sätt att göra några notoriskt spröda material segbara - men starkare än någonsin - helt enkelt genom att minska deras storlek.

Arbetet, av Dongchan Jang, senior postdoktor, och Julia R. Greer, biträdande professor i materialvetenskap och mekanik vid Caltech, så småningom kan leda till utveckling av innovativa, Super stark, ändå lätta och skadetoleranta material. Dessa nya material kan användas som komponenter i strukturella tillämpningar, som i lätta flyg- och rymdfarkoster som håller längre under extrema miljöförhållanden och i marinfartyg som är resistenta mot korrosion och slitage.

Ett papper om arbetet visas i tidningen den 7 februari i förväg onlineutgåvan av tidningen Naturmaterial .

"Historiskt sett säger Greer, "Strukturmaterial har alltid behövt förlita sig på deras bearbetningsvillkor, och har därigenom varit 'slavar' till sina egenskaper. "Till exempel, keramik är mycket stark, vilket gör dem bra för strukturella applikationer. På samma gång, dessa material är mycket tunga, vilket är problematiskt för många applikationer, och de är extremt spröda, vilket är mindre än idealiskt för att stödja tunga laster. Faktiskt, säger Greer, "de misslyckas katastrofalt under mekaniska belastningar." Metaller och legeringar, å andra sidan, är smidiga, och därför osannolikt att krossa, men de saknar styrkan i keramik.

Materialforskare har utvecklat en spännande klass av material som kallas glasartade metalllegeringar, som är amorfa och saknar den kristallina strukturen hos traditionella metaller. Materialen, även känd som metalliska glasögon, består av slumpmässiga arrangemang av metalliska element som zirkonium, titan, koppar, och nickel. De är lätta - en "stor fördel" för deras införlivande i nya typer av enheter, Greer säger - och är ändå jämförbara i styrka med keramik. Tyvärr, deras slumpmässiga struktur gör metallglasögon ganska spröda. "De misslyckas också katastrofalt under dragbelastningar, " hon säger.

Men nu Greer och Jang, den första författaren på Nature Materials -papper, har utvecklat en strategi för att övervinna dessa hinder - genom att göra metalliska glasögon som är nästan försvinnande små.

Forskarna utarbetade en process för att göra zirkoniumrika metalliska glaspelare t PI-hatt är bara 100 nanometer i diameter-ungefär 400 gånger smalare än bredden på ett människohår. I denna storlek, Greer säger, "de metalliska glasögonen blir inte bara ännu starkare, men också seg, vilket innebär att de kan deformeras till en viss förlängning utan att bryta. Styrka plus duktilitet, " hon säger, representerar "en mycket lukrativ kombination för strukturella tillämpningar."

Hittills, det finns inga omedelbara applikationer för det nya materialet, även om det kan vara möjligt att kombinera nanopilarna till matriser, som sedan skulle kunna utgöra byggstenarna i större hierarkiska strukturer med styrkan och smidigheten hos de mindre föremålen.

Arbetet, dock, "övertygande visar att" storlek "framgångsrikt kan användas som en designparameter, "Greer säger." Vi går in i en ny era inom materialvetenskap, där konstruktionsmaterial kan skapas inte bara genom att använda monolitstrukturer, som keramik och metaller, men också genom att införa "arkitektoniska" funktioner i dem. "

Till exempel, Greer arbetar för att tillverka en "tegel-och-murbruk" -arkitektur med små plattor av ett metalliskt glas och ultrafina korniga segmetaller med nanoskala dimensioner som sedan kan användas för att tillverka nya tekniska kompositer med förstärkt styrka och duktilitet.

Att använda detta arkitekturdrivna tillvägagångssätt för att skapa strukturmaterial med förbättrade egenskaper-det vill säga, till exempel, Super stark, men ändå lätt och seg - forskare måste förstå hur varje beståndsdel deformeras under användning och under stress.

"Våra fynd, " hon säger, "ger en kraftfull grund för att använda nanoskala komponenter, som klarar mycket höga belastningar utan att uppvisa katastrofalt misslyckande, i storskaliga strukturella tillämpningar specifikt genom att införliva arkitektonisk och mikrostrukturell kontroll. "

Tillägger Greer:"Den särskilt coola aspekten av experimentet är att det är nästan omöjligt att göra! Dongchan, min fantastiska postdoc, kunde göra individuella 100-nanometer-diameter draghållfasta metalliska nanopillarprover, som ingen någonsin gjort förut, och använde sedan vårt specialbyggda mekaniska deformationsinstrument på plats, SEMentor, att utföra experimenten. Han tillverkade proverna, testat dem, och analyserade data. Tillsammans kunde vi tolka resultaten och formulera den fenomenologiska teorin, men æren går allt till honom. "

Arbetet i Naturmaterial papper, "Övergång från ett starkt men ändå sprött till ett starkare och segare tillstånd genom storleksminskning av metallglasögon, "finansierades av National Science Foundation och Office of Naval Research, och utnyttjade tillverknings- och karakteriseringsfaciliteterna för Kavli Nanoscience Institute vid Caltech.