Du kan inte se dem, men de flesta av metallerna runt omkring dig - mynt, bestick, till och med stålbalkarna som håller upp byggnader och överfarter – består av små metallkorn. Under ett tillräckligt kraftfullt mikroskop, du kan se sammankopplade kristaller som ser ut som en bänkskiva i granit.

Det har länge varit känt av materialforskare att metaller blir starkare när storleken på kornen som utgör metallen blir mindre - upp till en viss punkt. Om kornen är mindre än 10 nanometer i diameter är materialen svagare eftersom, Det var tänkt, de glider förbi varandra som sand som glider nerför en dyn. Metallernas styrka hade en gräns.

Men experiment ledda av den tidigare postdoktorn Xiaoling Zhou vid University of Utah, nu vid Princeton University, docent i geologi Lowell Miyagi, och Bin Chen vid Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research i Shanghai, Kina, visa att det inte alltid är fallet - i prover av nickel med korndiametrar så små som 3 nanometer, och under högt tryck, styrkan på proverna fortsatte att öka med mindre kornstorlekar.

Resultatet, Zhou och Miyagi säger, är en ny förståelse för hur enskilda atomer av metallkorn interagerar med varandra, samt ett sätt att använda den fysiken för att uppnå superstarka metaller. Deras studie, genomfördes med kollegor vid University of California, Berkeley och vid universitet i Kina, publiceras i Natur .

"Våra resultat föreslår en möjlig strategi för att tillverka ultrastarka metaller, " säger Zhou. "Förr i tiden, forskare trodde att den starkaste kornstorleken var cirka 10-15 nanometer. Men nu fann vi att vi kunde göra starkare metaller på under 10 nanometer."

Knuffar förbi Hall-Petch

För de flesta metallföremål, Miyagi säger, storlekarna på metallkornen är i storleksordningen några till några hundra mikrometer - ungefär som ett människohårs diameter. "Höga bestick har ofta en finare, och mer homogen, kornstruktur som kan tillåta dig att få en bättre kant, " han säger.

Det tidigare förstådda förhållandet mellan metallstyrka och kornstorlek kallades Hall-Petch-förhållandet. Metallstyrkan ökade när kornstorleken minskade, enligt Hall-Petch, ner till en gräns på 10-15 nanometer. Det är en diameter på bara fyra till sex DNA-strängar. Kornstorlekar under den gränsen var helt enkelt inte lika starka. Så för att maximera styrkan, metallurger skulle sträva efter de minsta effektiva kornstorlekarna.

"Förfining av kornstorlek är ett bra sätt att förbättra styrkan, " säger Zhou. "Så det var ganska frustrerande, förr, att finna att denna kornstorleksförfining inte längre fungerar under en kritisk kornstorlek."

Förklaringen till försvagningen under 10 nanometer hade att göra med hur kornytor samverkade. Ytorna på korn har en annan atomstruktur än inredningen, säger Miyagi. Så länge kornen hålls samman av friktionskraften, metallen skulle behålla sin styrka. Men vid små kornstorlekar, Det var tänkt, kornen skulle helt enkelt glida förbi varandra under ansträngning, leder till en svag metall.

Tekniska begränsningar förhindrade tidigare direkta experiment på nanokorn, fastän, begränsande förståelse för hur korn i nanoskala uppförde sig och om det ännu kan finnas outnyttjad styrka under Hall-Petch-gränsen. "Så vi designade vår studie för att mäta styrkan hos nanometaller, " säger Zhou.

Under press

Forskarna testade prover av nickel, ett material som finns i ett brett utbud av nanokornstorlekar, ner till tre nanometer. Deras experiment involverade att placera prover av olika kornstorlekar under intensiva tryck i en diamantstädcell och använda röntgendiffraktion för att se vad som hände på nanoskala i varje prov.

"Om du någonsin har lekt med en fjäder, du har förmodligen dragit tillräckligt hårt i den för att förstöra den så att den inte gör vad den ska göra, " Miyagi säger. "Det är i princip vad vi mäter här; hur hårt vi kan trycka på det här nickelet tills vi skulle deformera det så långt att det skulle kunna återhämta sig."

Styrkan fortsatte att öka ända ner till den minsta tillgängliga kornstorleken. Provet på 3 nm motstod en kraft på 4,2 gigapascal (ungefär samma kraft som tio 10, 000 lbs. elefanter balanserade på en enda hög klack) innan de deformerades irreversibelt. Det är tio gånger starkare än nickel med en kommersiell kornstorlek.

Det är inte så att Hall-Petch-förhållandet gick sönder, Miyagi säger, men att hur kornen samverkade var annorlunda under de experimentella förhållandena. Det höga trycket övervann sannolikt kornglidningseffekterna.

"Om du trycker ihop två korn riktigt hårt, " han säger, "det är svårt för dem att glida förbi varandra eftersom friktionen mellan korn blir stor, och du kan undertrycka dessa korngränsglidmekanismer som visar sig vara ansvariga för denna försvagning."

När korngränsglidningen undertrycktes vid kornstorlekar under 20 nm, forskarna observerade en ny deformationsmekanism i atomär skala som resulterade i extrem förstärkning i de finaste korniga proverna.

Ultrastarka möjligheter

Zhou säger att ett av framstegen med denna studie är deras metod att mäta styrkan hos material på nanoskala på ett sätt som inte har gjorts tidigare.

Miyagi säger att ett annat framsteg är ett nytt sätt att tänka på att stärka metaller – genom att konstruera sina kornytor för att undertrycka kornglidning.

"Vi har inte många applikationer, industriellt, av saker där trycket är lika högt som i dessa experiment, men genom att visa att tryck är ett sätt att undertrycka korngränsdeformation kan vi tänka på andra strategier för att undertrycka det, kanske genom att använda komplicerade mikrostrukturer där du har kornformer som förhindrar att korn glider förbi varandra."