Johns Hopkins forskare har upptäckt att, under rätt förutsättningar, nyutvecklade nanokristallina material uppvisar överraskande aktivitet i de små utrymmena mellan de geometriska kluster av atomer som kallas nanokristaller som de är gjorda av.

Detta fynd, beskrivs nyligen i tidningen Vetenskap , är viktigt eftersom dessa nanomaterial blir mer överallt vid tillverkningen av mikroenheter och integrerade kretsar. Rörelse i atomområdet kan påverka de mekaniska egenskaperna hos dessa futuristiska material - vilket gör dem mer flexibla och mindre spröda - och kan förändra materialets livslängd.

"När vi gör mindre och mindre enheter, vi har använt mer nanokristallina material som har mycket mindre kristalliter - vilka material forskare kallar korn - och som antas vara mycket starkare, sa Kevin Hemker, professor och ordförande för maskinteknik vid Johns Hopkins' Whiting School of Engineering och senior författare till Vetenskap artikel. "Men vi måste förstå mer om hur dessa nya typer av metall- och keramiska komponenter beter sig, jämfört med traditionella material. Hur förutsäger vi deras tillförlitlighet? Hur kan dessa material deformeras när de utsätts för stress?"

Experimenten som utfördes av en före detta forskarassistent och leddes av Hemker fokuserade på vad som händer i regioner som kallas korngränser. En korn eller kristallit är en liten grupp av atomer arrangerade i ett ordnat tredimensionellt mönster. Det oregelbundna utrymmet eller gränsytan mellan två korn med olika geometrisk orientering kallas korngränsen. Korngränser kan bidra till ett materials styrka och hjälpa det att motstå plastisk deformation, en permanent förändring av formen. Nanomaterial tros vara starkare än traditionella metaller och keramik eftersom de har mindre korn och, som ett resultat, ha fler korngränser.

De flesta forskare har fått lära sig att dessa korngränser inte flyttas, en egenskap som hjälper materialet att motstå deformation. Men när Hemker och hans kollegor utförde experiment på nanokristallina tunna filmer av aluminium, applicera en typ av kraft som kallas skjuvspänning, de hittade ett oväntat resultat. "Vi såg att kornen hade blivit större, som bara kan inträffa om gränserna flyttas, " han sa, "och den mest överraskande delen av vår observation var att det var skjuvspänning som hade fått gränserna att röra sig."

"Den ursprungliga uppfattningen, sa Hemker, "var att dessa gränser var som väggarna inuti ett hus. Väggarna och rummen de skapar ändrar inte storlek; den enda aktiviteten är att människor rör sig runt i rummet. Men våra experiment visade att i dessa nanomaterial, när du applicerar en viss typ av kraft, Rummen ändrar storlek eftersom väggarna faktiskt rör sig. "

Upptäckten har konsekvenser för dem som använder tunna filmer och andra nanomaterial för att göra integrerade kretsar och mikroelektromekaniska system, kallas vanligtvis MEMS. Gränsrörelsen som visas av Hemker och hans kollegor innebär att nanomaterialen som används i dessa produkter sannolikt har mer plasticitet, högre tillförlitlighet och mindre sprödhet, men också minskad styrka.

"När vi går mot att göra saker i mycket mindre storlekar, vi måste ta hänsyn till hur aktivitet på atomnivå påverkar materialets mekaniska egenskaper, ", sa Hemker. "Denna kunskap kan hjälpa mikroenhetstillverkarna att besluta om rätt storlek för sina komponenter och kan leda till bättre förutsägelser om hur länge deras produkter kommer att hålla."