Ingenieure modellieren die Kristalldynamik im Nanomaßstab in einem übersichtlichen System

Ingenieure der Rice University, die Prozesse im Atommaßstab nachahmen, um sie groß genug zu machen, um sie sehen zu können, haben modelliert, wie Scherung die Korngrenzen in polykristallinen Materialien beeinflusst.

Dass sich die Grenzen so leicht ändern können, war für die Forscher nicht völlig überraschend, die sich drehende Anordnungen magnetischer Partikel verwendeten, um zu sehen, was ihrer Meinung nach an der Grenzfläche zwischen falsch ausgerichteten Kristalldomänen passiert.

Laut Sibani Lisa Biswal, Professorin für Chemie- und Biomolekulartechnik an der George R. Brown School of Engineering von Rice, und der Doktorandin und Hauptautorin Dana Lobmeyer kann die Grenzflächenscherung an der Kristall-Hohlraum-Grenze tatsächlich die Entwicklung von Mikrostrukturen beeinflussen.

Die Technik berichtet in Wissenschaftliche Fortschritte könnte Ingenieuren helfen, neue und verbesserte Materialien zu entwerfen.

Mit bloßem Auge erscheinen unedle Metalle, Keramiken und Halbleiter einheitlich und fest. Aber auf molekularer Ebene sind diese Materialien polykristallin, getrennt durch Defekte, die als Korngrenzen bekannt sind. Die Organisation dieser polykristallinen Aggregate bestimmt solche Eigenschaften wie Leitfähigkeit und Festigkeit.

Unter angelegter Spannung können sich Korngrenzen bilden, neu konfigurieren oder sogar vollständig verschwinden, um sich an neue Bedingungen anzupassen. Obwohl kolloidale Kristalle als Modellsysteme verwendet wurden, um zu sehen, wie sich Grenzen bewegen, war die Kontrolle ihrer Phasenübergänge eine Herausforderung.

„Was unsere Studie auszeichnet, ist, dass sich bei den meisten Studien zu kolloidalen Kristallen die Korngrenzen bilden und stationär bleiben“, sagte Lobmeyer. „Sie sind im Wesentlichen in Stein gemeißelt. Aber mit unserem rotierenden Magnetfeld sind die Korngrenzen dynamisch und wir können ihre Bewegung beobachten.“

In Experimenten brachten die Forscher Kolloide aus paramagnetischen Partikeln dazu, 2D-polykristalline Strukturen zu bilden, indem sie sie mit Magnetfeldern wirbelten. Wie kürzlich in einer früheren Studie gezeigt wurde, eignet sich diese Art von System gut zur Visualisierung von Phasenübergängen, die für atomare Systeme charakteristisch sind.

Hier sahen sie, dass Gas- und Festphasen koexistieren können, was zu polykristallinen Strukturen führt, die partikelfreie Bereiche enthalten. Sie zeigten, dass diese Hohlräume als Quellen und Senken für die Bewegung von Korngrenzen fungieren.

Die neue Studie zeigt auch, wie ihr System dem Bewährten folgt Read-Shockley-Theorie von harter kondensierter Materie, die die Fehlorientierungswinkel und Energien von Korngrenzen mit kleinem Winkel vorhersagt, die durch eine kleine Fehlausrichtung zwischen benachbarten Kristallen gekennzeichnet sind.

Durch Anlegen eines Magnetfelds an die kolloidalen Partikel veranlasste Lobmeyer die Anordnung der in Eisenoxid eingebetteten Polystyrolpartikel und beobachtete, wie die Kristalle Korngrenzen bildeten.

„Wir haben normalerweise mit vielen relativ kleinen Kristallen begonnen“, sagte sie. „Nach einiger Zeit begannen die Korngrenzen zu verschwinden, also dachten wir, es könnte zu einem einzigen, perfekten Kristall führen.“

Stattdessen bildeten sich aufgrund der Scherung an der Lückengrenzfläche neue Korngrenzen. Ähnlich wie bei polykristallinen Materialien folgten diese den Fehlorientierungswinkeln und Energievorhersagen von Read und Shockley vor mehr als 70 Jahren.

„Korngrenzen haben einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften von Materialien, daher bietet uns das Verständnis, wie Hohlräume zur Kontrolle kristalliner Materialien verwendet werden können, neue Möglichkeiten, sie zu entwerfen“, sagte Biswal. „Unser nächster Schritt ist die Verwendung dieses abstimmbaren kolloidalen Systems zur Untersuchung des Temperns, eines Prozesses, der mehrere Heiz- und Kühlzyklen umfasst, um Defekte in kristallinen Materialien zu entfernen.“

Die National Science Foundation (1705703) unterstützte die Forschung. Biswal ist William M. McCardell-Professor für Chemieingenieurwesen, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik sowie für Materialwissenschaften und Nanotechnik.