Korngränser är en av de mest framträdande defekterna i tekniska material som separerar olika kristalliter, som bestämmer deras styrka, korrosionsbeständighet och brott. Vanligtvis, dessa gränssnitt betraktas som kvasi tvådimensionella defekter och att kontrollera deras egenskaper är fortfarande en av de mest utmanande uppgifterna inom materialteknik. Dock, för mer än 50 år sedan etablerades konceptet att korngränser kan genomgå fasomvandlingar av termodynamiska koncept, men de har inte beaktats, eftersom de inte kunde observeras. Dr Christian Liebscher, chef för gruppen "Advanced Transmission Electron Microscopy" och hans teammedlemmar vid Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), nu hittat ett sätt att direkt observera korngränsövergångar experimentellt. Med kollegor från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), U.S., som modellerade korngränstransformationerna, forskarna publicerade sina senaste rön i Natur .

Deras resultat är överraskande:"Sökningen efter kongruenta transformationer har alla aspekter av en sökning efter en nål i en 6+C-dimensionell höstack, " säger John W. Cahn, materialvetare och expert för termodynamik. Teamet hittade till och med två av dessa "nålar". Nyckeln var att använda atomupplösningsmikroskopen vid MPIE för att direkt visualisera de transformerande gränssnitten.

"Vi förväntade oss inte att vi kommer att se korngränsfastransformationer men våra resultat visar tydligt att två korngränsmotiv samexisterar med olika atomarrangemang. korngränsplanets orientering, kristallit felorientering och kemisk sammansättning förändras inte. Genom dessa observationer, vi måste ompröva hur gränssnitt beter sig när de utsätter ett material för temperatur och/eller stress, " förklarar Liebscher.

Han och hans kollegor analyserade tunna filmer av ren koppar, särskilt genom atomupplöst transmissionselektronmikroskopi. Den här vägen, de låste upp korngränsfaserna och bevisade deras samexistens med atomär precision. Faserna kan atomistiskt beskrivas som motiv med pärl- och dominoformad struktur (se fig. 1). Dr Timofey Frolov och Dr Robert Rudd, från Lawrence Livermore National Laboratory, modellerade korngränsfaserna. De använde en ny sökalgoritm för korngränsstruktur, som är kapabel att hitta de experimentellt observerade strukturerna. Dessutom, deras simuleringar av molekylär dynamik med ändlig temperatur utforskar transformationskinetiken. De förutsagda strukturerna liknar inte bara perfekt de experimentella observationerna, men visa att korngränsfaserna kan omvandlas till varandra genom att ändra temperatur eller stress. Dessutom, simuleringarna indikerar att korngränsfasövergången, en ny linjedefekt som inte har beaktats tidigare, är hastighetsstyrande.

"Vi upptäckte genom modellering att transformationens hastighet till stor del beror på migreringen av fasövergången. Det tar bara några tiotals nanosekunder i händelse av en kort defekt att slutföra transformationen från domino till pärlstrukturen. Medan ingen transformation observeras när defektens längd överstiger några nanometer och sker under 500 K, " förklarar Dr Thorsten Meiners, första författare till publikationen och tidigare doktorandforskare vid MPIE. Vidare, korngränsfaserna kännetecknas av olika egenskaper, som bestämmer hur gränssnittsfaserna rör sig, hur de tar upp orenheter eller hur de deformeras mekaniskt.

"Därav, att förstå hur korngränser förvandlas ger en ny syn på fortfarande oförklarade materiella fenomen, såsom onormal korntillväxt, och banar nya sätt att betrakta gränssnittsövergångar som ett materialdesignelement, " säger prof. Gerhard Dehm, direktör vid MPIE. De olika tillstånden av korngränser eller gränssnitt kan ha en stark inverkan på korrosionsbeteendet hos material, hur de beter sig under katalytiska förhållanden eller till och med spelar en viktig roll i fel på mikroelektroniska enheter. Forskarna strävar efter att utvidga de aktuella observationerna till experiment gjorda vid olika temperaturer, under stress och i närvaro av föroreningar. Målet är att skapa en fullständig förståelse för dessa fastransformationer, därmed kunna designa materialegenskaper genom att nå ut till en holistisk korngränsteknik.