För att modifiera en metallyta i skalan av atomer och molekyler - till exempel för att förfina ledningarna i datorchips eller det reflekterande silvret i optiska komponenter - överöser tillverkarna den med joner. Även om processen kan verka högteknologisk och exakt, tekniken har begränsats av bristen på förståelse för den underliggande fysiken. I en ny studie, Brown Universitys ingenjörer modellerade bombardemang av ädelgasjoner med aldrig tidigare skådad rikedom, ger eftertraktade insikter om hur det fungerar.

"Ytmönster och spänningar orsakade av jonstrålebombardement har studerats omfattande experimentellt men har hittills inte kunnat förutsägas exakt, sa Kyung-Suk Kim, professor i teknik vid Brown och medförfattare till studien publicerad 23 maj i Proceedings of the Royal Society A . "Den nya upptäckten förväntas ge prediktiv designkapacitet för att kontrollera ytmönster och spänningar i nanoteknologiska produkter."

Den förbättrade förståelsen kan öppna dörren till ny teknik, Kim sa, som nya metoder för att göra flexibel elektronik, biokompatibla ytor för medicinsk utrustning, och mer skadetoleranta och strålningsbeständiga ytor. Forskningen gäller så kallade "FCC"-metaller som koppar, silver, guld, nickel, och aluminium. Dessa metaller är kristaller som består av kubiska arrangemang av atomer med en i varje hörn och en i varje kubytas mitt.

Forskare har försökt förklara den komplicerade processen i årtionden, och på senare tid har de börjat försöka modellera det på datorer. Kim sa att analysen av Brown-teamet, inklusive huvudförfattare och postdoktor Sang-Pil Kim, var mer sofistikerad än tidigare försök som fokuserade på en enda bombardemang och endast isolerade punktdefekter i metallsubstratet.

"I det här arbetet, för första gången, vi undersöker kollektivt beteende hos dessa defekter under jonbombardemang i termer av jon-substratkombinationer, " sa Kyung-Suk Kim.

Den nya modellen avslöjade hur jonbombardement kan sätta tre huvudmekanismer i rörelse på en fråga om biljondelar av en sekund. Forskarna kallade mekanismerna "bildning av dubbla lager, " "tillväxt i tunnelbaneglidläge, " och "adatom ö-utbrott." De är en konsekvens av hur de inkommande jonerna smälter metallen och sedan hur den åter stelnar med jonerna som då och då fångas inuti.

När joner träffar metallytan, de tränger in i det, slå bort närliggande atomer som biljardbollar i en process som liknar, på atomnivå, att smälta. Men istället för att bara rulla iväg, atomerna är mer som magnetiska biljardbollar genom att de återgår till varandra, eller åter stelna, om än i en annan ordning.

Vissa atomer har flyttats på sin plats. Det finns några lediga platser i kristallen närmare ytan, och atomerna där drar sig samman över det tomma utrymmet, som skapar ett lager med mer spänning. Under det finns ett lager med fler atomer som har slagits in i det. Den trängseln av atomer skapar kompression. Därför finns det nu två skikt med olika nivåer av kompression och spänning. Denna "dubbla skiktsbildning" är föregångaren till "tunnelbane-glidläges-tillväxten" och "adatomö-utbrottet".

Ett kännetecken för material som har bombarderats med joner är att de ibland producerar ett mönster av material som verkar ha dykt upp ur den ursprungliga ytan. Tidigare, Kyung-Suk Kim sa, Forskare trodde att fördrivna atomer individuellt bara skulle guppa tillbaka till ytan som fiskar som dödades i en undervattensexplosion. Men vad teamets modeller visar är att dessa molekylära öar bildas av hela kluster av förskjutna atomer som binder samman och ser ut att glida tillbaka upp till ytan.

"Processen är analog med människor som sätter sig på ett tunnelbanetåg vid förortsstationer, och de kommer alla ut tillsammans till ytan när tåget anländer till en centralstation under morgonrusningen, " sa Kyung-Suk Kim.

Mekanismerna, samtidigt som de erbjuder en ny förklaring till effekterna av jonbombning, är bara början på denna forskning.

"Som ett nästa steg, Jag kommer att utveckla prediktionsmodeller för nanomönsterutveckling under jonbombardement som kan styra nanotillverkningsprocesserna, "Sang-Pil Kim sa. "Denna forskning kommer också att utökas till andra tillämpningar som mjuka eller hårda material under extrema förhållanden."