Исследование двойникования в наноматериалах открывает новые возможности

Чтобы понять поведение наноматериалов, нужно понять и механизмы деформации в атомном масштабе, которые определяют структуру наноматериалов, их прочность и функции.

Исследователи из университета Питтсбурга, университета Дрекселя и технологического университета Джорджии спроектировали новый метод наблюдения и исследования указанных механизмов, а кроме того продемонстрировали необычное явление в вольфраме. Научная группа впервые наблюдала деформационное двойникование объемно-центрированных кубических нанокристаллов вольфрама на атомном уровне.

Для проведения наблюдений ученые применили высокоразрешающий трансмиссионный электронный микроскоп и сложное компьютерное моделирование.

Результаты работы опубликованы в издании Nature Materials.

Деформационное двойникование — это тип деформации, который в сочетании со скольжением дислокации позволяет материалам постоянно деформироваться без разрушения. В процессе двойникования кристалл переориентируется, что формирует область в кристалле, которая является зеркальным отображением оригинального кристалла. Двойникование наблюдается в крупномасштабных объемно-центрированных кубических металлах и сплавах во время деформации. Однако пока неизвестно, происходит двойникование в объемно-центрированных кубических наноматериалах или нет.

«Чтобы добиться глубокого понимания деформации в объемно-центрированных кубических наноматериалах, мы совместили визуализацию в атомном масштабе и симуляции, чтобы показать, что двойникование доминирует для большинства состояний ввода вследствие нехватки других механизмов деформации в наномасштабных объемно-центрированных кубических решетках», сообщил старший автор статьи Скотт Мао.

В качестве типичного объемно-центрированного кубического кристалла команда выбрала вольфрам. Чаще всего вольфрам применяется для создания нитей ламп накаливания.

Наблюдение двойникования проводилось внутри трансмиссионно-электронного микроскопа. Этот вид исследования не был доступен в прошлом вследствие сложностей в подготовке объемно-центрированных кубических образцов менее 100 нанометров величиной, как того требует визуализация с помощью указанного прибора. Аспирант Цзян Вей Вонг, ведущий автор статьи, разработал отличный способ получения объемно-центрированных кубических вольфрамовых нанопроводов. Под микроскопом Вонг сплавил вместе два маленьких кусочка отдельных нанокристаллов вольфрама и получил провод порядка 20 нанометров в диаметре. Этот провод оказался достаточно прочным для растягивания и сжатия во время наблюдения феномена двойникования в настоящем времени.

Чтобы лучше понять этот феномен, доцент Кристофер Вейнбергер разработал компьютерные модели, которые продемонстрировали механическое поведение вольфрамовой наноструктуры на атомном уровне. Моделирование позволило команде увидеть физические факторы в действии в ходе двойникования. Полученные данные помогут ученым предположить, почему явление имеет место в наномасштабном вольфраме, и проложить курс для исследований в других объемно-центрированных кубических материалах.

Помимо этого доцент Тинг Чжу и аспирант Чжи Чжень создали компьютерные симуляции с использованием молекулярной динамики, чтобы исследовать деформационные процессы в трехмерном пространстве.

Симуляции показали, что свойство вольфрама «чем меньше, тем прочней» не обходится без недостатков, когда дело касается его применения.

«Если вы сократите размер до наномасштаба, то сможете увеличить прочность на несколько порядков», отметил Чжу. „Однако за это придется уплатить свою цену: материал утратит эластичность. Мы хотим увеличить прочность, не жертвуя эластичностью этих наноструктурных металлов и сплавов. Чтобы добиться этого, нам требуется понять, как управлять механизмами деформации, как их контролировать“.

Ссылка по теме: http://www.news.pitt.edu/news/seeing-tiny-twins

10.03.2015