(PhysOrg.com) - Materialforskare har vetat att metallens styrka (eller svaghet) styrs av dislokationsinteraktioner, ett rörigt utbyte av korsande fellinjer som rör sig eller krusar i metalliska kristaller. Men vad händer när metaller konstrueras på nanoskala? Finns det ett sätt att göra metaller starkare och smidigare genom att manipulera deras nanostrukturer?

Brown University -forskare kan ha kommit på ett sätt. I ett papper publicerat i Natur , Huajian Gao och forskare från University of Alabama och Kina rapporterar om en ny mekanism som styr toppstyrkan hos nanostrukturerade metaller. Genom att utföra 3D-simuleringar av uppdelade korn av nanostrukturerade metaller, Gao och hans team observerade att dislokationer organiserar sig i mycket ordnade, halsbandliknande mönster i hela materialet. Kärnbildningen av detta dislokationsmönster är det som bestämmer materialets toppstyrka, forskarna rapporterar.

Fyndet kan öppna dörren för att producera starkare, mer sega metaller, sa Gao, professor i teknik vid Brown. "Detta är en ny teori om styrka inom materialvetenskap, "tillade han." Dess betydelse är att den avslöjar en ny mekanism för materialstyrka som är unik för nanostrukturerade material. "

Dela ett metallkorn med hjälp av en specialiserad teknik, och bitarna kan avslöja gränser inom säden som forskare kallar tvillinggränser. Dessa är i allmänhet platta, kristallytor som speglar kristallorienteringen över dem. De kinesiska författarna skapade nanotvinnade gränser i koppar och analyserade utrymmet mellan gränserna när de gjorde en intressant observation:Kopparen blev starkare när utrymmet mellan gränserna minskade från 100 nanometer, slutligen nå en topp av styrka vid 15 nanometer. Dock, eftersom avståndet minskade från 15 nanometer, metallen blev svagare.

"Det här är väldigt förbryllande, "Sa Gao.

Så Gao och Brown doktorand Xiaoyan Li grävde lite längre. De bruna forskarna reproducerade sina samarbetspartners experiment i datasimuleringar med 140 miljoner atomer. De använde en superdator vid National Institute for Computational Sciences i Tennessee, som gjorde det möjligt för dem att analysera tvillinggränserna i atomskala. Till deras förvåning, de såg ett helt nytt fenomen:Ett mycket ordnat dislokationsmönster som styrs av kärnbildning hade tagit fäste och dikterat kopparens styrka. Mönstret kännetecknades av grupper av atomer nära dislokationskärnan och monterade i högordnat, halsbandliknande mönster.

"De kommer inte i vägen för varandra. De är väldigt organiserade, "Sa Gao.

Från experimenten och datormodelleringen, forskarna teoretiserar att på nanoskala, dislokationskärnbildning kan bli styrande princip för att bestämma en metalls styrka eller svaghet. Författarna presenterade en ny ekvation i Nature -dokumentet för att beskriva principen.

"Vårt arbete ger ett konkret exempel på en källstyrd deformationsmekanism i nanostrukturerade material för första gången och, som sådan, kan förväntas ha en djupgående inverkan på materialvetenskapsområdet, "Sa Gao.