Frågan om hur metaller deformeras eller reagerar på yttre påfrestningar har studerats omfattande bland metallurger i århundraden. När det gäller konventionella metaller - den kristallina typen med atomer som ställer upp i snygga mönster - är processen ganska väl förstådd. Men för deformation av metallglas och andra amorfa metaller har enkla svar varit svårfångade, särskilt när det kommer till hur saker fungerar på nanoskala.
I en ny studie tittar prof. Jan Schroers på de fysiska egenskaperna hos hur dessa metaller beter sig i mycket små storlekar – insikter som kan leda till nya sätt att skapa metallglas. Resultaten publiceras i Nature Communications .
Material med metallens styrka men med plastens böjlighet utvecklas metallglas för ett brett spektrum av applikationer:flyg, rymd, robotteknik, hemelektronik, sportartiklar och biomedicinsk användning.
Dessa material har sina egenskaper tack vare sina unika atomstrukturer:när metallglas svalnar från en vätska till en fast substans, sätter deras atomer sig i ett slumpmässigt arrangemang och kristalliserar inte som traditionella metaller gör. Men det är svårt att förhindra atomer från att kristallisera, och alla insikter om hur de fungerar kan leda till en effektivare produktion av metalliskt glas.
"För att främja tillverkning och användning av amorfa metaller krävs en grundläggande och fullständig förståelse för deras storleks- och temperaturberoende deformation", skriver studiens författare.
Under de senaste decennierna har det varit väletablerat att i makroskopisk skala rör sig atomer i massor när de deformeras vid temperaturer som tillåter flöde.
"De deformeras på ett kollektivt sätt, nästan som honung", säger Schroers, professor i maskinteknik och materialvetenskap Robert Higgin. "Du ser alla dessa atomer som rör sig kollektivt tillsammans."
Men vad händer när prover i nanoskala deformeras? Med hjälp av zirkoniumkoppar och andra metalliska glasprover i ett mjukt tillstånd, bestämde sig Schroers-labbet för att ta reda på det.
"Naijia Liu, doktoranden i mitt labb, skapade mindre och mindre prover, och vid något tillfälle kunde han visa att de inte deformeras på det sättet längre," sa Schroers. Vid provstorlekar på 100 nanometer eller mindre började saker och ting avvika från standardreglerna.
Vad de fann var att vid denna storlek skulle provernas kemiska sammansättning aldrig förändras om atomerna fortsatte att röra sig kollektivt. Det som hände istället var att atomerna rörde sig individuellt och vid en viss tidpunkt började metallen deformeras snabbt.
"Så om du blir mindre och mindre, då flyter atomerna inte längre. Vad de gör istället är att resa individuellt över ytan."
Det är viktigt eftersom atomer är kända för att röra sig snabbare på ytan av kristallina material. Så ju mindre provet är, desto större andel av materialet finns på eller nära en yta. För att deformeras tar atomer ett extra avstånd genom att använda en så snabb ytbana eftersom den tillåter generellt snabbare deformation. Det är en inblick i ett område inom fysiken som fortfarande har många obesvarade frågor.
"Vi vet i princip allt om kristaller, och vi vet i princip allt om gaser," sa Schroers. "Men i det vetenskapliga samfundet känner vi inte till det flytande tillståndet väl. Saker och ting rör sig för snabbt, så observationsmetoder utmanas och eftersom ordningen i en vätska är icke-periodisk kan vi inte reducera problemet till en mindre enhet ."
Schroers labb fokuserar för närvarande på vilka legeringar som är mest lovande för att skapa metallglas med denna metod. "Legeringen bör bestå av liknande element, men inte för lika, eftersom mallen som de växer på inte kan formas till ett glas", sa Schroers.
Förutom den vetenskapliga effekten av deras nya rön, sa Schroers, har studien betydelse på en teknisk nivå. Istället för den nuvarande tekniken att undvika kristallisering genom mycket snabb kylning, ger dessa fynd forskare en ny metod för att långsamt odla metastabila material. Dessa material inkluderar metallglas och till och med andra som tidigare inte var möjliga att tillverka med andra tekniker.
Mer information: Naijia Liu et al, Storleksberoende deformationsbeteende i amorfa metaller i nanostorlek som tyder på övergång från kollektiv till individuell atomtransport, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41582-2
Tillhandahålls av Yale University
