Volfram nanotråd uppvisar ett fenomen som kallas "vänskap" som gör att det kan deformeras under tryck utan att bryta, och att återfå sin form när lasten tas bort.
För att helt förstå hur nanomaterial beter sig, man måste också förstå deformationsmekanismerna i atomskala som bestämmer deras struktur och, därför, deras styrka och funktion.
Forskare vid University of Pittsburgh, Drexel University, och Georgia Tech har utvecklat ett nytt sätt att observera och studera dessa mekanismer och, genom att göra så, har avslöjat ett intressant fenomen i ett välkänt material, volfram. Gruppen är den första som observerar samverkan på atomnivå deformation i kroppscentrerade kubiska (BCC) volfram nanokristaller.
Teamet använde ett högupplöst transmissionselektronmikroskop (TEM) och sofistikerad datormodellering för att göra observationen. Detta jobb, publicerad i Naturmaterial , representerar en milstolpe i in situ -studien av mekaniska beteenden hos nanomaterial.
Deformation twinning är en typ av deformation som, i samband med förskjutningsledning, tillåter material att deformeras permanent utan att gå sönder. I samarbete med kristallorienteringarna, som skapar ett område i kristallen som är en spegelbild av den ursprungliga kristallen. Twinning har observerats i storskaliga BCC-metaller och legeringar under deformation. Dock, om samverkan förekommer i BCC -nanomaterial eller inte förblev okänt.
"För att få en djup förståelse för deformation i BCC -nanomaterial, "Scott X. Mao, tidningens seniorförfattare, sa, "vi kombinerade avbildning och simuleringar i atomskala för att visa att vänskapsaktiviteter dominerade för de flesta lastningsförhållandena på grund av bristen på andra skjuvdeformationsmekanismer i nanoskala BCC-gitter."
Teamet valde volfram som en typisk BCC -kristall. Den mest kända tillämpningen av volfram är dess användning som filament för glödlampor.
En serie bilder som fångats av transmissionselektronmikroskopi visar fenomenet vänskap som förekommer i volfram nanotråd.
Observationen av atomskala twinning gjordes inuti en TEM. Denna typ av undersökning hade inte varit möjlig tidigare på grund av svårigheter att göra BCC -prover mindre än 100 nanometer i storlek som krävs av TEM -avbildning. Jiangwei Wang, en Pitt -doktorand och huvudförfattare till tidningen, utvecklat ett smart sätt att göra BCC volfram nanotrådar. Under en TEM, Wang svetsade ihop två små bitar av enskilda nanoskala volframkristaller för att skapa en tråd med en diameter på cirka 20 nanometer. Denna tråd var tillräckligt hållbar för att sträcka och komprimera medan Wang observerade tvillingfenomenet i realtid.
För att bättre förstå fenomenet som observerats av Mao och Wangs team i Pitt, Christopher R. Weinberger, en biträdande professor vid Drexels tekniska högskola, utvecklat datormodeller som visar det mekaniska beteendet hos volfram -nanostrukturen - på atomnivå. Hans modellering gjorde att laget kunde se de fysiska faktorerna som spelades under vänskap. Denna information kommer att hjälpa forskare teoretisera varför det förekommer i nanoskala volfram och planera en kurs för att undersöka detta beteende i andra BCC -material.
"Vi försöker se om vår atomistbaserade modell beter sig på samma sätt som volframprovet som används i experimenten, som sedan kan hjälpa till att förklara de mekanismer som gör att den kan bete sig så, "Sade Weinberger." Specifikt, vi skulle vilja förklara varför den uppvisar denna vänskapsmöjlighet som en nanostruktur men inte som en bulkmetall. "
I samklang med Weinbergers modellering, Ting Zhu, docent i maskinteknik vid Georgia Tech, arbetat med en doktorand, Zhi Zeng, att genomföra avancerade datasimuleringar med molekylär dynamik för att studera deformationsprocesser i 3D.
Zhus simulering avslöjade att volframens "mindre är starkare" beteende inte är utan nackdelar när det gäller applikationer.
Datormodeller visar processen för vänskapsförbindelse i volfram nanotråd.
"Om du reducerar storleken till nanometerskalan, du kan öka styrkan med flera ordningar eller storlek, "Zhu sa." Men priset du betalar är en dramatisk minskning av duktiliteten.
Vi vill öka styrkan utan att äventyra duktiliteten när det gäller att utveckla dessa nanostrukturerade metaller och legeringar. För att nå detta mål, vi måste förstå de kontrollerande deformationsmekanismerna. "
Twinning -mekanismen, Mao tillade, står i kontrast med den konventionella visdomen för dislokationskärnbildningskontrollerad plasticitet i nanomaterial. Resultaten bör motivera ytterligare experimentell och modellerande undersökning av deformationsmekanismer i nanoskala metaller och legeringar, i slutändan möjliggör designen av nanostrukturerade material att fullt ut förverkliga deras latenta mekaniska styrka.
"Vår upptäckt av den tvillingdominerade deformationen öppnar också möjligheter att förbättra duktiliteten genom att konstruera tvillingstrukturer i nanoskala BCC -kristaller, "Sa Zhu.
