Forskare vid Technion har upptäckt naturen hos nanometertjocka lager mellan olika material och funnit att de har både fasta och flytande egenskaper. Genom att göra så, forskarna gjorde ett avgörande tillägg till Gibbs teori som beskriver de grundläggande aspekterna av gränssnittens termodynamik.

Den nyligen publicerade tidningen i Vetenskap demonstrerar experimentellt att bildandet av ett mycket tunt lager (i storleksordningen en nanometer i tjocklek) vid gränssnitt minskar gränssnittsenergin, och främjar vidhäftning och gränssnittsstabilitet. Det tunna lagret är inte ett konventionellt materiatillstånd, genom att det varken är fast eller vätska, utan snarare något mittemellan.

Resultaten kan göra det möjligt för forskare att förbättra motståndskraften hos bindningen mellan keramiska material och metaller, två typer av material som "inte gillar" att komma i kontakt. De många verkliga tillämpningarna inkluderar skärverktyg för metallbearbetning; kompositer för bromsbelägg; skarvarna mellan metallledande ledningar och chips i datorer; och applicering av skyddande keramiska beläggningar på jetmotorblad.

"Tills nu, ingen hade kunnat förstå varför dessa tunna lager existerar, eller om de var ett tillfälligt eller ett jämviktstillstånd, ” förklarar prof. Wayne D. Kaplan, Dekanus för institutionen för materialteknik vid Technion. "Medan deras existens vid gränsytan mellan keramiska kristaller och på isytan var känd, det pågick en debatt om orsaken till detta fenomen och dess egenskaper."

Genom en lång rad experiment, Dr Mor Baram bevisade att det finns ett tunt lager i gränsytan mellan metaller och keramiska material, vilket minskar gränssnittsenergin. Forskningen var Dr Barams doktorandarbete, och utfördes under överinseende av Prof. Kaplan i samarbete med Dr. Dominique Chatain från CNRS i Frankrike.

"Det här fenomenet gör det möjligt för oss att åka skridskor, minskar de mekaniska egenskaperna hos keramiska material vid höga temperaturer, påverkar morfologin hos kristaller i moderna polykristallina tekniska material, och bidrar till stabiliteten hos moderna mikroelektroniska enheter, ” säger prof. Kaplan.

Teamet genomförde nya experiment vid Technion med det nya "Titan" elektronmikroskopet och en fokuserad jonstråle (FIB). Detta inkluderade plätering av safir med en tunn (0,6 mikron tjock) film av guld (som jämförelse, ett enda hårstrå är 80-100 mikron tjockt), och värma upp proverna tills de nådde jämvikt (dvs tills guldfilmen bröts upp i miljarder små guldkristaller på safiren). Forskarna inkluderade också en källa till element på safiren som är kända för att spela en roll i att bilda skiktet mellan olika material (i detta fall, kisel och kalcium). När proverna nådde jämvikt, kalcium och kisel flyttade till gränsytan mellan guld och safir, och en tunn (0,0012 mikron, eller 1,2 nanometer tjockt) lager skapades.

Forskarna kunde sedan framgångsrikt mäta energin som lagrats mellan guldet och safiren i närvaro av det tunna lagret. Genom att göra så, de visade att dess närvaro minskar energin i gränssnittet, och förbättrar därför dess stabilitet.