Ingeniører modellerer nanoskala krystalldynamikk i system som er lett å se

Rice University-ingeniører som etterligner prosesser i atomskala for å gjøre dem store nok til å se, har modellert hvordan skjærkraft påvirker korngrensene i polykrystallinske materialer.

At grenser kan endre seg så lett var ikke helt en overraskelse for forskerne, som brukte spinnende arrays av magnetiske partikler for å se hva de mistenker skjer ved grensesnittet mellom feiljusterte krystalldomener.

I følge Sibani Lisa Biswal, professor i kjemisk og biomolekylær ingeniørvitenskap ved Rices George R. Brown School of Engineering, og hovedfagsstudent og hovedforfatter Dana Lobmeyer, kan grensesnittsskjæring ved grensen mellom krystall-tomtene virkelig drive hvordan mikrostrukturer utvikler seg.

Teknikken rapportert i Vitenskapens fremskritt kan hjelpe ingeniører med å designe nye og forbedrede materialer.

Til det blotte øye, vanlige metaller, keramikk og halvledere fremstår som jevne og solide. Men på molekylær skala er disse materialene polykrystallinske, atskilt av defekter kjent som korngrenser. Organiseringen av disse polykrystallinske aggregatene styrer egenskaper som ledningsevne og styrke.

Under påført stress kan korngrenser dannes, rekonfigurere eller til og med forsvinne helt for å imøtekomme nye forhold. Selv om kolloidale krystaller har blitt brukt som modellsystemer for å se grenser flytte, kontrollere deres faseoverganger har vært utfordrende.

“Det som skiller studien vår er at i de fleste kolloidale krystallstudier dannes korngrensene og forblir stasjonære,” sa Lobmeyer. “De er i hovedsak hugget i stein. Men med vår roterende magnetfeltkorngrensene er dynamiske og vi kan se bevegelsene deres.”

I eksperimenter induserte forskerne kolloider av paramagnetiske partikler for å danne 2D polykrystallinske strukturer ved å spinne dem med magnetiske felt. Som nylig vist i en tidligere studieer denne typen system godt egnet for å visualisere faseoverganger som er karakteristiske for atomsystemer.

Her så de at gass og faste faser kan eksistere side om side, noe som resulterer i polykrystallinske strukturer som inkluderer partikkelfrie områder. De viste at disse tomrommene fungerer som kilder og synker for bevegelse av korngrenser.

Den nye studien viser også hvordan systemet deres følger det langvarige Read-Shockley teori av hardt kondensert stoff som forutsier feilorienteringsvinklene og energiene til lavvinklede korngrenser, de som er preget av en liten feiljustering mellom tilstøtende krystaller.

Ved å bruke en magnetfelt på kolloidale partiklerspurte Lobmeyer jernoksid-innebygde polystyrenpartikler for å sette sammen og så på mens krystallene dannet korngrenser.

“Vi startet vanligvis med mange relativt små krystaller,” sa hun. “Etter en tid begynte korngrensene å forsvinne, så vi trodde det kunne føre til en enkelt, perfekt krystall.”

I stedet ble det dannet nye korngrenser på grunn av skjær ved tomrommets grensesnitt. I likhet med polykrystallinske materialer, fulgte disse feilorienteringsvinkelen og energispådommene gjort av Read og Shockley for mer enn 70 år siden.

“Korngrenser har en betydelig innvirkning på egenskapene til materialer, så å forstå hvordan tomrom kan brukes til å kontrollere krystallinske materialer gir oss nye måter å designe dem på,” sa Biswal. “Vårt neste trinn er å bruke dette avstembare kolloidale systemet til å studere gløding, en prosess som involverer flere oppvarmings- og avkjølingssykluser for å fjerne defekter i krystallinske materialer.”

National Science Foundation (1705703) støttet forskningen. Biswal er William M. McCardell-professor i kjemiteknikk, professor i kjemisk og biomolekylær teknikk og i materialvitenskap og nanoteknikk.

---

---