(Phys.org)—Nanokristaller som skyddande beläggningar för avancerade gasturbin- och jetmotorer får mycket uppmärksamhet för sina många fördelaktiga mekaniska egenskaper, inklusive deras motståndskraft mot stress. Dock, i motsats till datorsimuleringar, den lilla storleken på nanokristaller skyddar dem tydligen inte från defekter.

I en studie av forskare vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och medarbetare från flera institutioner, nanokristaller av nickel utsatta för högt tryck fortsatte att lida av dislokationsmedierad plastisk deformation även när kristallerna bara var tre nanometer stora. Dessa experimentella fynd, som utfördes vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en främsta källa till röntgenstrålar och ultraviolett ljus för vetenskaplig forskning, visa att dislokationer kan bildas i de finaste nanokristallerna när stress appliceras.

"Vi kan inte ignorera eller underskatta rollen av dislokationer – defekter eller oregelbundenheter – i fina nanokristaller eftersom yttre stress kan förändra hela bilden, säger Bin Chen, en materialvetare med ALS Experimental Systems Group som ledde denna forskning. "Våra resultat visar att dislokationsmedierad deformation kvarstår till mindre kristallstorlekar än förväntat, främst för att datormodeller inte har tagit tillräcklig hänsyn till effekterna av yttre stress och korngränser."

Chen är huvudansvarig och motsvarande författare till en artikel i Vetenskap beskriver detta arbete. Uppsatsen har titeln "Texture of Nanocrystalline Nickel:Probing the Lower Size Limit of Dislocation Activity." Medförfattare till denna tidning var Katie Lutker, Selva Vennila Raju, Jinyuan Yan, Waruntorn Kanitpanyacharoen, Jialin Lei, Shizhong Yang, Hans-Rudolf Wenk, Ho-kwang Mao och Quentin Williams.

Plastisk deformation är en permanent förändring av formen eller storleken på ett material som ett resultat av en applicerad påkänning. Sannolikheten för plastisk deformation ökar med närvaron av dislokationer – defekter eller oregelbundenheter – i materialets struktur. De flesta material består av små kristaller, kallas "korn, " och vad som händer vid gränserna mellan dessa korn är avgörande för materialegenskaper. Baserat på datorsimuleringar och elektronmikroskopanalys, tron har varit att dislokationsmedierad plastisk deformation blir inaktiv under en kornstorlek på minst 10 nanometer, och möjligen så stor som 30 nanometer.

"Tanken var att under en kritisk längdskala, dislokationsförmedlad deformationsaktivitet skulle ge vika för korngränsglidning, diffusion, och kornrotation, " säger Chen. "Men, Det fanns många olösta frågor om huruvida plasticitet i ultrafina nanokristallina korn fortfarande kunde genereras av dislokationer och hur tryck kan påverka deformationsregimerna."

För att undersöka kornstorlek och tryckeffekter på plastisk deformation av nanometaller, Chen och hans kollegor använde ALS Beamline 12.2.2, en supraledande böjmagnetstrållinje som stöder radiella diamant-städ-cell-röntgendiffraktionsexperiment. Chen och hans medförfattare registrerade observationer på plats under en rad höga textureringstryck (när de kristallina kornen har föredragna orienteringar) i stressade polykristallina nickelprover med kornstorlekar på 500-, 20- och 3-nanometer.

"Betydande texturering observerades vid tryck över 3,0 gigapascal för nickel med en kornstorlek på 500 nanometer och vid mer än 11,0 gigapascal för nickel med en kornstorlek på 20 nanometer, " säger Chen. "Överraskande nog, texturering sågs också i nickel med 3-nanometer kornstorlek när den komprimerades över 18,5 gigapascal. Detta säger oss att under högt yttre tryck, dislokationsaktivitet kan utökas ner till en skala på några nanometer."

Chen och hans medförfattare började med nanokristallint nickel eftersom dess kubiska struktur i ansiktet mitt förblir stabil under ett brett tryckområde. De tillämpar nu sina tekniker för att studera andra nanokristallina material, både metaller och icke-metaller.