Het oplossen van mysteries van metallisch glas op nanoschaal

De vraag hoe metalen vervormen of reageren op externe spanningen wordt al eeuwenlang uitgebreid bestudeerd onder metallurgen. Als het gaat om conventionele metalen – de kristallijne soort met atomen die in nette patronen op een rij staan ​​– is het proces redelijk goed begrepen. Maar voor de vervorming van metallisch glas en andere amorfe metalen waren gemakkelijke antwoorden ongrijpbaar, vooral als het gaat om hoe dingen werken op nanoschaal.

In een nieuwe studie kijkt prof. Jan Schroers naar de fysieke eigenaardigheden van hoe deze metalen zich gedragen bij zeer kleine afmetingen – inzichten die zouden kunnen leiden tot nieuwe manieren om metallisch glas te maken. De resultaten worden gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Materialen met de sterkte van metaal maar met de buigzaamheid van plastic, metalen glazen worden ontwikkeld voor een breed scala aan toepassingen: lucht- en ruimtevaart, robotica, consumentenelektronica, sportartikelen en biomedische toepassingen.

Deze materialen danken hun eigenschappen aan hun unieke atomaire structuren: wanneer metalen glazen afkoelen van een vloeistof naar een vaste stof, nestelen hun atomen zich in een willekeurige rangschikking en kristalliseren ze niet zoals traditionele metalen dat doen. Maar voorkomen dat atomen kristalliseren is lastig, en enig inzicht in hun werking zou een grote bijdrage kunnen leveren aan een efficiëntere productie van metallisch glas.

“Om de fabricage en het gebruik van amorfe metalen te bevorderen, is een fundamenteel en volledig begrip van hun grootte- en temperatuurafhankelijke vervorming vereist”, schrijven de auteurs van het onderzoek.

In de afgelopen decennia is algemeen bekend dat atomen op macroscopische schaal massaal bewegen wanneer ze vervormen bij temperaturen die stroming mogelijk maken.

“Ze vervormen op een collectieve manier, bijna als honing”, zegt Schroers, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde van Robert Higgin. “Je ziet al deze atomen als collectief samen bewegen.”

Maar wat gebeurt er als monsters op nanoschaalgrootte vervormen? Met behulp van zirkoniumkoper en andere metalen glasmonsters in een zachte staat besloot het Schroers-lab dit uit te zoeken.

“Naijia Liu, de afgestudeerde student in mijn laboratorium, creëerde steeds kleinere monsters, en op een gegeven moment kon hij aantonen dat ze niet meer op die manier vervormen”, zei Schroers. Bij een steekproefomvang van 100 nanometer of kleiner begonnen de zaken af ​​te wijken van de standaardregels.

Wat ze ontdekten was dat bij deze omvang de chemische samenstelling van de monsters nooit zou veranderen als de atomen collectief zouden blijven bewegen. Wat er in plaats daarvan gebeurde, was dat de atomen afzonderlijk bewogen, en op een gegeven moment begon het metaal snel te vervormen.

“Dus als je kleiner en kleiner wordt, stromen de atomen niet meer. Wat ze in plaats daarvan doen, is individueel over het oppervlak reizen.”

Dat is belangrijk omdat bekend is dat atomen sneller bewegen op het oppervlak van kristallijne materialen. Dus hoe kleiner het monster, hoe groter het aandeel van het materiaal op of dichtbij een oppervlak. Om te kunnen vervormen nemen atomen een extra afstand door gebruik te maken van zo’n snel oppervlakpad, omdat dit in het algemeen snellere vervorming mogelijk maakt. Het is een inzicht in een gebied van de natuurkunde dat nog steeds veel onbeantwoorde vragen heeft.

“We weten in wezen alles over kristallen, en we weten in wezen alles over gassen”, zei Schroers. “Maar in de wetenschappelijke gemeenschap kennen we de vloeibare toestand niet goed. Dingen bewegen zich te snel, dus observatiemethoden worden uitgedaagd en omdat de orde in een vloeistof niet-periodiek is, kunnen we het probleem niet terugbrengen tot een kleinere eenheid. .”

Het laboratorium van Schroers richt zich momenteel op welke legeringen het meest veelbelovend zijn voor het maken van metallisch glas via deze methode. “De legering moet soortgelijke elementen bevatten, maar niet te veel op elkaar, omdat de sjabloon waarop ze groeien anders niet tot een glas kan worden gevormd”, aldus Schroers.

Naast de wetenschappelijke impact van hun nieuwe bevindingen, zegt Schroers, heeft het onderzoek ook betekenis op technologisch niveau. In plaats van de huidige techniek om kristallisatie te vermijden door zeer snelle afkoeling, bieden deze bevindingen onderzoekers een nieuwe methode om metastabiele materialen langzaam te laten groeien. Tot deze materialen behoren onder meer metalen glazen en zelfs andere materialen die voorheen niet met andere technieken konden worden gemaakt.