De hoeken waar atomen elkaar ontmoeten, kunnen een pad bieden naar nieuwe materialen voor extreme omstandigheden

Hoe kunnen we materialen ontwikkelen die sterker en lichter zijn? Hoe zit het met nieuwe materialen voor extreme omstandigheden, zoals in straalmotoren en ruimtevaartuigen? Het antwoord, zegt Fadi Abdeljawad, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan het PC Rossin College of Engineering and Applied Science van Lehigh University, zou verborgen kunnen zijn in de oneindig kleine gebieden, of grenzen, waar atomen in kristallen samenkomen.

Samen met zijn medewerkers bij het Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) van het Amerikaanse ministerie van Energie, ontdekt Abdeljawad hoe die kleine grenzen zo’n enorme impact hebben op de eigenschappen van nanomaterialen.

“Atomen komen samen om nanokristallen te vormen, wat in wezen structuren zijn die ongeveer 1/10.000ste van de breedte van een mensenhaar hebben”, legt Abdeljawad uit. “Denk aan deze kristallen die samenkomen als stukjes van een puzzel, of als tegels op een keukenvloer. Miljarden van deze nanokristallen stapelen zich op elkaar en vormen de meeste technische materialen.”

Volgens de onderzoekers zijn het de gebieden waar kristallen samenkomen die een grote rol spelen bij het bepalen hoe een materiaal zich gedraagt. Onlangs werd het werk van het team gepubliceerd in Nano-brieven.

De artikel“Triple Junction Segregation Dominates the Stability of Nanocrystalline Alloys”, onderzoekt hoe kleine kenmerken in nanomaterialen, bekend als drievoudige juncties, een cruciale rol spelen bij het handhaven van de stabiliteit van deze materialen onder hoge temperaturen.

Goud in de hoeken

Nanokristallijne materialen hebben een uiterst fijne structuur, opgebouwd uit vele kleine kristallen. Deze kleine kristalgrootte kan het materiaal sterker maken. Het is echter een uitdaging om deze kristallen in de loop van de tijd klein en stabiel te houden, omdat ze de neiging hebben te groeien, waardoor het materiaal kan verzwakken.

De onderzoekers in dit onderzoek ontdekten dat de sleutel tot het behouden van de stabiliteit van deze materialen bij hoge temperaturen ligt in drievoudige knooppunten, hoeken waar drie van deze nanokristallen samenkomen. Stel je voor dat de hoeken van drie puzzelstukjes bij elkaar komen.

Wat de wetenschappers ontdekten is dat wanneer bepaalde atomen worden toegevoegd om een ​​legering te vormen, ze er de voorkeur aan geven locaties op deze drievoudige kruispunten te bezetten. Deze ‘chemische segregatie’ of verzameling van atomen op drievoudige kruispunten zorgt ervoor dat de korrels niet groeien, waardoor wordt voorkomen dat het materiaal na verloop van tijd zijn kracht verliest.

Deze specifieke studie toonde aan dat goudatomen die zorgvuldig op drievoudige kruispunten in een platina nanomateriaal waren geplaatst ervoor zorgden dat het materiaal stabiel bleef onder omstandigheden van hoge temperaturen.

‘Door dit proces te begrijpen’, zegt Abdeljawad, ‘kunnen wetenschappers betere nanokristallijne legeringen ontwerpen. Ze kunnen specifieke elementen kiezen die naar de drievoudige verbindingen gaan en het materiaal stabiliseren. Dit is vooral belangrijk voor toepassingen waarbij sterkte en duurzaamheid bij hoge temperaturen van cruciaal belang zijn. , zoals in de lucht- en ruimtevaart- en energiesector.”

Maak gebruik van de kracht van teamwerk

Abdeljawad, een computationeel materiaalwetenschapper bij Lehigh, voerde grootschalige computationele onderzoeken uit die deze resultaten voorspelden. Om de modellen te valideren, werkte het computationele team samen met het Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). CINT biedt geavanceerde tools en expertise voor onderzoek op nanoschaal, waardoor baanbrekende studies op het gebied van materiaalkunde, nanofabricage en nanofotonica voor wetenschappelijke en technologische vooruitgang mogelijk worden.

“Dit is een uitstekend voorbeeld van collaboratieve wetenschap”, zegt dr. Brad Boyce, senior wetenschapper bij CINT en co-auteur van dit onderzoek. “Onze ideeën over hoe we nieuwe materialen kunnen ontwikkelen door kenmerken op nanoschaal aan te passen, worden volwassen als gevolg van het vermogen om de complexe rangschikking van atomen waaruit deze materialen bestaan ​​te simuleren.”