(Phys.org) – I en världsnyhet, ett team av forskare från Australien, Kina och USA har skapat en superstark metallisk komposit genom att utnyttja de extraordinära mekaniska egenskaperna hos nanotrådar.

Medförfattare och chef för School of Mechanical and Chemical Engineering vid University of Western Australia, Winthrop professor Yinong Liu, sade att arbetet effektivt har övervunnit en utmaning som har frustrerat världens främsta vetenskapsmän och ingenjörer i mer än tre decennier, smeknamnet "dödens dal" i nanokompositdesign.

"Vi vet att nanotrådar uppvisar extraordinära mekaniska egenskaper, i synnerhet ultrahöga styrkor i storleksordningen flera gigapascal, närmar sig de teoretiska gränserna. Med den snabba utvecklingen av vår förmåga att producera mer i variation, mer i kvantitet och bättre i form och storlek på nanotrådar, chansen att skapa bulktekniska kompositmaterial förstärkta av dessa nanotrådar har blivit hög, " sa professor Liu. Men, alla försök hittills har misslyckats med att inse de extraordinära egenskaperna hos nanotrådarna i bulkmaterial.

Professor Liu säger att problemet ligger i matrisen:"I en normal metallmatris-nanowire-komposit, när vi drar kompositen till en mycket hög stress, nanotrådarna kommer att uppleva en stor elastisk deformation på flera procent. Det är OK för nanotrådarna, men det kan de normala metallerna som bildar matrisen inte. De kan sträcka sig elastiskt till högst 1 procent. Bortom det, matrisen deformeras plastiskt, " han sa.

Plastisk deformation skadar kristallstrukturen vid gränssnittet mellan nanotrådarna och matrisen. I detta avseende egenskaperna hos kompositen begränsas av egenskaperna hos den vanliga matrisen, och inte bestäms av nanotrådarnas extraordinära egenskaper.

"Tricket är med NiTi-matrisen, " sa professor Liu. "NiTi är en formminneslegering, ett fint namn men inte helt nytt. Den är inte starkare än andra vanliga metaller men den har en speciell egenskap som är dess martensitiska omvandling. Transformationen kan ge en deformation som är kompatibel med den elastiska deformationen av nanotrådarna utan plastiska skador på kompositens struktur. Detta ger effektivt nanotrådarna en chans att göra sitt jobb, det är, att bära den höga belastningen och att vara superstark. Med detta har vi korsat "dödens dal"!" sa professor Liu.

Med hjälp av denna idé, forskarna har skapat kompositmaterial som är dubbelt så starka som höghållfasta stål, som har elastiska töjningsgränser upp till sex procent - vilket är 5-10 gånger större än de elastiska töjningarna för de bästa fjäderstålen som finns tillgängliga för närvarande - och en Young's modul på ~30 GPa, som är oöverträffad av något tekniskt material hittills.

Genombrottet öppnar dörren för en rad nya och innovativa applikationer. Den mycket låga Youngs modul matchar den för mänskligt ben, gör det till ett mycket bättre material för medicinska tillämpningar som implantat, till exempel. Förmågan att producera och underhålla extremt stora elastiska spänningar ger också en oöverträffad möjlighet till "elastic strain engineering", vilket kan leda till förbättringar av många funktionella egenskaper hos fasta material, såsom elektroniska, optoelektroniska, piezoelektrisk, piezomagnetisk, fotokatalytiska och kemiska avkänningsegenskaper.

"En transformerande metall nanokomposit med stor elastisk töjning, Low Modulus and High Strength" har publicerats i tidskriften Vetenskap .