Ingenieurs ontwerpen nanokristallijne dynamiek in een gemakkelijk te zien systeem

Ingenieurs van Rice University bootsen processen op atoomschaal na om ze groot genoeg te maken om te zien hoe afschuiving de korrelgrenzen in polykristallijne materialen beïnvloedt.

Dat grens Het kan zo gemakkelijk veranderen dat het niet helemaal een verrassing was voor de onderzoekers, die roterende arrays van magnetische deeltjes gebruikten om weer te geven wat ze vermoedden op het grensvlak tussen afgebogen kristaldomeinen.

Volgens Sibanye Lisa Biswal, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan de George R. Brown School of Engineering in Rice, en afgestudeerde student en hoofdauteur Dana Luebmeyer, kan grensvlakschuif aan de grens van de kristalruimte inderdaad bepalen hoe microstructuren evolueren.

Technologie genoemd in wetenschappelijke vooruitgang Het kan ingenieurs helpen bij het ontwerpen van nieuwe en verbeterde materialen.

naar mij Met het blote oog, gewone metalen, keramiek en halfgeleiders lijken homogeen en solide. Maar op moleculair niveau zijn deze materialen polykristallijn, gescheiden door defecten die bekend staan ​​als: korrelgrenzen. De organisatie van deze polykristallijne aggregaten regelt eigenschappen zoals geleidbaarheid en sterkte.

Onder uitgeoefende spanning kunnen zich korrelgrenzen vormen, herconfigureren of volledig verdwijnen om aan nieuwe omstandigheden te voldoen. ondanks colloïdale kristallen Als modelsystemen voor het zien en controleren van grenzen in beweging Faseovergangen Het was een uitdaging.

“Het unieke aan onze studie is dat in de meeste onderzoeken naar colloïdale kristallen korrelgrenzen worden gevormd en constant blijven”, zegt Luebmeyer. “Ze waren in feite in steen gebeiteld. Maar met onze beurt magnetisch veld, korrelgrenzen zijn dynamisch en we kunnen hun beweging bekijken. “

In de experimenten induceerden de onderzoekers colloïden van quasideeltjes om tweedimensionale polykristallijne structuren te vormen door ze te roteren met magnetische velden. als zodanig Het werd onlangs aangetoond in een eerdere studiedit type systeem is zeer geschikt voor het visualiseren van faseovergangen die kenmerkend zijn voor atomaire systemen.

Hier zagen ze dat gasvormige en vaste fasen naast elkaar kunnen bestaan, wat resulteert in polykristallijne structuren met deeltjesvrije gebieden. Ze toonden aan dat deze holtes fungeren als bronnen en putten voor beweging van de korrelgrens.

De nieuwe studie laat ook zien hoe het hun oude systeem volgt Reed Shockley’s theorie Van gecondenseerde vaste stoffen die verkeerde oriëntatiehoeken en lage-hoek korrelgrensenergieën voorspellen, die worden gekenmerkt door een lichte verkeerde uitlijning tussen aangrenzende kristallen.

Door de toepassing van een magnetisch veld Op de colloïdale deeltjesLobmeyer push-bestand ijzeroxide– Polystyreendeeltjes worden compact om te aggregeren en kijken hoe kristallen korrelgrenzen vormen.

“We begonnen meestal met veel relatief kleine kristallen,” zei ze. “Na verloop van tijd begonnen de korrelgrenzen te verdwijnen, dus we dachten dat dit zou kunnen leiden tot een perfect eenkristal.”

In plaats daarvan werden nieuwe korrelgrenzen gevormd als gevolg van afschuiving op het holte-interface. Net als polykristallijne materialen, volgden deze materialen de verkeerde richtingshoek en energievoorspellingen die meer dan 70 jaar geleden door Reed en Shockley werden gedaan.

“Graangrenzen hebben een enorme impact op materiaaleigenschappen, dus inzicht in het gebruik van holtes om kristallijne materialen te beheersen, biedt ons nieuwe manieren om ze te ontwerpen”, zei Biswal. “Onze volgende stap is om dit afstembare colloïdale systeem te gebruiken om gloeien te bestuderen, een proces waarbij meerdere verwarmings- en koelcycli nodig zijn om defecten in kristallijne materialen te verwijderen.”

De National Science Foundation (1705703) ondersteunde het onderzoek. Biswal is de William M. McCardle hoogleraar chemische technologie en hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering en materiaalkunde en nano-engineering.