Egenskaperna för nanomaterial kan vara lättare att förutse i framtiden. Forskare från Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart har slipat metall till kontinuerligt finare pulver i steg och utarbetat en detaljerad katalog över hur metallkornens struktur förändras beroende på kornstorlek. De upptäckte att kristallgallren initialt krymper, men expandera igen under en viss tröskelkornstorlek. Atomernas placering och avstånd bestämmer många egenskaper hos ett material. Om det är möjligt att exakt karaktärisera kristallgitter som en funktion av partikelstorleken, det kan också vara möjligt att därmed mer exakt beräkna hur nanopartiklar av en viss storlek beter sig.

Det finare kaffet är malet, desto intensivare smak. Förhållandet mellan fastigheter och slipning berör också ett team av forskare som leds av Eric Jan Mittemeijer, Direktör vid Max Planck Institute for Intelligent Systems. Forskarna arbetar inte med kaffe, men istället med nanoskala metaller. Med olika mycket fint pulveriserade nanograinerade metaller bestämde de att metallatomerna i de enskilda stora kristallina kornen trängs närmare, ju finare kornen mals. Materialets kristallgitter blir därmed mer komprimerat. Dock, så snart kornen mäter mindre än cirka 30 nanometer i diameter, atomerna vänder sitt beteende och kristallgitteret expanderar igen.

Materialforskare har under en tid vetat att samma material kan uppvisa olika - ja rentav motsägelsefulla - egenskaper, beroende på storleken på dess partiklar. Detta gäller främst när måtten på ett materialprov faller till nanometerintervallet. Ganska lite är också redan känt om orsakerna till olika beteende hos mycket fina och grövre korn. I stora metallkristaller, de flesta atomerna är helt omgivna av mer av samma typ av atom. I denna typ av beställda gitter, de attraktiva och frånstötande krafterna mellan metallatomerna är i jämvikt.

I nanoskala korn, ytatomerna styr materialegenskaperna

Som jämförelse, nanokristaller består av relativt få atomer, varav en mycket stor del är belägen vid ytan av kornen. När kornstorleken sjunker, förhållandet mellan yta och volym ökar. Ytatomerna omges inte på alla sidor av samma atomer, och under en viss kristallstorlek styr de materialegenskaperna som färgen, ledningsförmåga, ämnets magnetiska egenskaper och hårdhet.

Forskarna producerade nanokristallina material i en kulkvarn, pulveriserande nickel, järn, koppar, och volfram. Stålkulorna krossar metallerna i en cylindriskt formad trumma till små kristaller. Genom användning av elektronmikroskopi och röntgendiffraktionsanalys, forskarna i Stuttgart har nu systematiskt undersökt, för första gången, exakt hur atomerna i finare och finare metallkristaller är ordnade. De var främst intresserade av hur avståndet mellan atomerna i kristallgitteret förändras som en funktion av kristallkornens storlek.

I linje med deras förväntningar, forskarna observerade inledningsvis att kristallgallren i de fyra undersökta metallerna drabbades av fallande kornstorlek. "När vi fortsatte serien med experiment med mindre och mindre spannmål, dock, vi gjorde en överraskande upptäckt ", säger Eric Jan Mittemeijer. "Om granuleringen faller under en viss storlek i nanometerintervallet, kristallgitteret expanderar igen och avståndet mellan atomerna ökar ".

Ytbelastning och överflödig volym konkurrerar med varandra

Det faktum att avståndet mellan atomerna i nanokristallerna beror på kornstorleken är, enligt forskarna, resultatet av två konkurrerande influenser:ytbelastning och överskott av fri volym. I metaller, atomerna, som är tätt ordnade i det inre och därför har många bindningar till andra atomer, har en lägre energi än atomer vid spannmålets yta, som saknar flera bindningspartners. Detta skapar en ytbelastning. Det tillåter atomerna att flytta sig närmare och närmare varandra när kornstorleken sjunker och förhållandet mellan yta och volym ökar.

Under en viss storlek, en ytterligare effekt av atomerna vid spannmålets yta spelar in. En spannmålsgräns, som det är känt, former där två nanoskala korn möts. Ytatomerna hos närliggande korn, dvs atomerna vid spannmålsgränsen, försök att inta en kompromissposition mellan de två skärande eller överlagrade kristallgallren. De förskjuter sig därför från sina faktiska gitterplatser och tar upp en större volym än atomer, intar en fast position i ett vanligt galler. Forskarna talar om överskott av fri volym i spannmålsgränserna, vilket kan vara ganska uttalat med nanomaterial. Denna fria volym i korngränserna för nanomaterial skapar ett spänningsfält som utökar avståndet mellan de närliggande atomerna i nanokristallerna.

"Påverkan av denna överskjutande fria volym på atomernas gitterlägen kan säkert försummas för föremål som är större än cirka 30 nanometer", säger Mittemeijer. "Det styr beteendet hos mindre objekt, dock, medan ytspänningen förlorar betydelse ".

Forskningen från Max Planck -forskarna kan visa sig ha stor betydelse för materialvetenskap. "Vår forskning bidrar till att bättre förstå egenskaperna hos nanomaterial, så att en ingenjör vet vilket nanomaterial som är lämpligt för bearbetning eller produkter, till exempel", säger Gayatri Rane, som gjorde avgörande arbete i studien. Sai Ramudu Meka, som också deltog, lägger till, "Om vi ​​inte vet hur ett material beter sig, vi kan inte heller använda det korrekt ".