Långt innan de visste att de gjorde det - så länge sedan som Wright Brothers första flygmotor - metallurgister införlivade nanopartiklar i aluminium för att göra en stark, hård, värmebeständig legering. Processen kallas solid-state nederbörd, i vilken, efter att smältan har svalnat snabbt, atomer av legeringsmetaller migrerar genom en fast matris och samlas i dispergerade partiklar mätt i miljardelar av en meter, bara några få atomer breda.

Nyckeln till styrkan hos dessa nederbördshärdade legeringar är storleken, form, och enhetlighet hos nanopartiklarna och hur stabila de är vid uppvärmning. En legering med en mycket framgångsrik kombination av egenskaper är en speciell formulering av aluminium, skandium, och litium, vars fällningar är nästan lika stora. Det gjordes först vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) 2006 av ett team som leddes av Velimir Radmilović och Ulrich Dahmen från Materials Sciences Division.

Dessa forskare och deras kollegor har nu kombinerat atomskalaobservationer med det kraftfulla TEAM-mikroskopet vid Berkeley Labs National Center for Electron Microscopy (NCEM) med atom-sondtomografi och andra experimentella tekniker, och med teoretiska beräkningar, för att avslöja hur nanopartiklar bestående av kärnor som är rika på skandium och omgiven av litiumrika skal kan spridas i anmärkningsvärt enhetliga storlekar genom en ren aluminiummatris.

"Med TEAM-mikroskopet kunde vi studera kärnskalstrukturen hos dessa nanoprecipitat och hur de bildar sfärer som har nästan samma diameter. "säger Dahmen, direktören för NCEM och en författare till Naturmaterial papper som beskriver de nya studierna. "Vad mer, dessa partiklar ändrar inte storlek över tiden, som de flesta fällningar gör. Vanligtvis, små partiklar blir mindre och stora partiklar blir större, en process som kallas mognad eller grovning, som så småningom försvagar legeringarna. Men dessa enhetliga kärnskal-nanoprfällningar motstår förändring. "

Utveckling av en legering

I aluminium-scandium-litiumsystemet fann forskarna att, efter den första smältningen, en enkel uppvärmning i två steg skapar först de skandiumrika kärnorna och sedan de sfäriska partiklarnas litiumrika skal. Sfärerna begränsar själv sin tillväxt för att uppnå samma yttre dimensioner, ger en lätt, potentiellt värme- och korrosionsbeständig, superstark legering.

"Scandium är den mest kraftfulla förstärkaren för aluminium, "säger NCEM:s Radmilović, som också är professor i metallurgi vid universitetet i Belgrad, Serbien, och en författare till Naturmaterial papper. "Att lägga till mindre än en procent skandium kan göra en dramatisk skillnad i mekanisk styrka, sprickresistens, korrosionsbeständighet - alla typer av egenskaper. "Eftersom skandium diffunderar mycket långsamt genom den fasta aluminiummatrisen, den fasta blandningen måste värmas till en hög temperatur (utan smältning) innan skandium faller ut.

Litium är den lättaste av alla metaller (endast väte och helium är lättare) och ger inte bara lätthet till en aluminiumlegering utan, potentiellt, styrka också. Litium sprider sig mycket snabbare än skandium, vid mycket lägre temperatur.

"Problemet är att, av sig själv, litium kanske inte lever upp till sitt löfte, "säger Dahmen, en mångårig samarbetspartner med Radmilović. "Tricket är att övertyga litium att anta en användbar kristallin struktur, nämligen L1 ₂ . "

L1 ₂ enhetscell liknar en ansiktscentrerad kubisk cell, bland de enklaste och mest symmetriska kristallstrukturerna. Atomer upptar varje hörn av en tänkt kub och är centrerade i kubens sex ansikten; i L1 ₂ strukturera, typerna av atomer i hörnen kan skilja sig från de i ansiktenas centrum. För legeringsinkluderingar är det en av de starkaste och stabila strukturerna eftersom, som Dahmen förklarar, "när atomer är på plats i L1 ₂ , det är svårt för dem att röra sig. "

Dahmen krediterar Radmilović med "intuitionen" för att legera både skandium och litium med aluminium, värma och kyla materialet i en specifik serie steg. Den intuitionen baserades på Radmilovićs långa erfarenhet av de separata egenskaperna hos aluminium-litium och aluminium-skandiumlegeringar och en djup förståelse för hur de sannolikt skulle interagera. Han utarbetade ett recept för andelen ingredienser i den första smältan och hur man kyler och värmer dem.

Nyckeln till processen var att använda litium som ett slags katalysator för att tvinga fram en "kärnbildning" i skandiet. Efter att de tre metallerna har blandats, smält, och snabbt kylt eller släckt, litium tjänar till att sänka den uppvärmning som behövs för att samla skandium för att bilda täta kärnstrukturer - även om den fasta blandningen fortfarande måste värmas till 450 grader Celsius (842 Fahrenheit) i 18 timmar för att bilda dessa kärnor, tillverkad av aluminium, litium, och skandium. Kärnorna har i genomsnitt lite över nio nanometer i diameter men är inte enhetliga i storlek.

Därefter värms legeringen igen, denna gång till 190˚ Celsius (374˚ F) i fyra timmar. Vid lägre temperatur är skandiet orörligt; det fritt rörliga litiet bildar ett skal runt de skandiumrika kärnorna, ungefär som vatten i ett moln kristalliserar runt en dammfläck för att göra en snöflinga. Skallarna har i genomsnitt cirka 10,5 nanometer i tjocklek, men deras tjocklek är inte enhetlig.

Vad är anmärkningsvärt, fastän, är att när en kärna är tjockare än genomsnittet, skalet är tunnare än genomsnittet, och vice versa:ju mindre kärnan, ju snabbare skalet växer. Kärnstorlek och skalstorlek är "antikorrelerade" och resultatet är "storleksfokuserat". Hela sfärer varierar fortfarande något, men skillnaderna är mycket mindre än bland kärnorna ensamma eller skalen ensamma.

Strukturen hos kärnorna och skalen inbäddade i aluminium verkar lika anmärkningsvärd. Ren aluminium i sig har en ansiktscentrerad-kubisk struktur, och denna struktur upprepas sömlöst av L1 ₂ struktur av både kärnor och skal, perfekt sammanfogad utan dislokationer vid gränssnitten mellan kärnan, skal, och matris.

Dahmen säger, "Det är de skandiumrika kärnorna som övertygar litiumet att ta på den användbara L1 ₂ strukturera."

Gå med experiment med teori

Med TEAM -mikroskopet och en speciell bildteknik för att titta ner på toppen av de vanliga raderna med kolumner av atomer, L1 ₂ strukturen avslöjar sig i grupper av sammanlänkade rutor, med fyra kolonner med atomer i hörnen och fem kolumner av atomer vid ansikternas uppradade centrum.

I ren aluminium, alla prickar har samma ljusstyrka. I skalen och kärnorna, dock, hörnkolumnerna och de ansiktscentrerade kolumnerna skiljer sig i kontrast-de ansiktscentrerade kolumnerna är rena aluminium men hörnkolumnerna blandas. Genom att komplettera högupplösta TEAM-bilder med data från andra experimentella tekniker var det möjligt att använda ljusstyrka och kontrast för att beräkna typerna av atomer i varje kolumn.

Genom att använda första principberäkningar, teammedlemmarna Colin Ophus och Mark Asta kunde modellera effekten av litium på solid-state nederbörd av skandium, stimulerar en plötslig kärnbildning, och också för att förstå varför, på grund av de termodynamiska egenskaperna hos de två metallerna som interagerar med aluminium och med varandra, fällningarna är så enhetliga och stabila.

Radmilović säger, "Colin och Mark visade att litium och skandium gillar varandra. De visade också att genom att använda aluminiumkolumnerna som standard, vi kan beräkna intensiteten hos skandium och litium med platsens ljusstyrka. "I skalen, hörnpelarna innehåller aluminium och cirka 10 procent litium. I kärnorna, hörnkolumnerna innehåller alla tre metaller.

Dahmen säger, "Under de senaste åren har det skett en snabb ökning av användningen av" integrativ mikroskopi "-med användning av en mängd olika tekniker som högvinklad ringformad mörkfältbildning, högupplöst faskontrast, och energifiltrerad avbildning och spektroskopi för att attackera ett enda problem. TEAM -mikroskopet, som korrigeras för både kromatisk och sfärisk aberration, är unik i sin förmåga att göra alla dessa tekniker med hög upplösning. Att förstå varför nanoinkluderingar i aluminium-scandium-litium är enhetliga är ett av de bästa exemplen på behovet av att använda integrativ mikroskopi. "

Lika bra legering som aluminium-scandium-litium är, dess användning kan begränsas av kostnaden för sällsynt skandium, för närvarande tio gånger guldpriset. Genom att förstå hur legeringen uppnår sina anmärkningsvärda egenskaper, forskarna förväntar sig fullt ut att andra system med kärnskalskalutfällningar kan styras av samma mekanismer, vilket leder till nya sorters legeringar med en rad önskvärda egenskaper.