Verfolgung der atomaren Bewegung in Echtzeit zwischen Kristallkörnern in Metallen

Metallische Werkstoffe, die in der Technik verwendet werden, müssen stark und dehnbar sein – in der Lage, hohe mechanische Belastungen zu tragen und gleichzeitig Verformungen standzuhalten, ohne zu brechen. Ob ein Material schwach oder fest, dehnbar oder spröde ist, wird jedoch nicht allein durch die Kristallkörner bestimmt, aus denen das Material besteht, sondern vielmehr durch den Zwischenraum zwischen ihnen, der sogenannten Korngrenze. Trotz jahrzehntelanger Forschung bleiben Verformungsprozesse auf atomarer Ebene an der Korngrenze schwer fassbar, ebenso wie das Geheimnis zur Herstellung neuer und besserer Materialien.

Mithilfe fortschrittlicher Mikroskopie in Verbindung mit neuartigen Computersimulationen zur Verfolgung atomarer Bewegungen führten Forscher des Georgia Institute of Technology Echtzeitbeobachtungen der Korngrenzenverformung auf atomarer Ebene in polykörnigen metallischen Materialien, sogenannten polykristallinen Materialien, durch. Das Team beobachtete bisher unerkannte Prozesse, die Materialeigenschaften beeinflussen, wie Atome, die über eine Korngrenze von einer Ebene zur anderen springen. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Wissenschaft in diesem März erweitert die Grenzen der Untersuchung auf atomarer Ebene und ermöglicht ein tieferes Verständnis dafür, wie sich polykristalline Materialien verformen. Ihre Arbeit eröffnet neue Wege für das intelligentere Design neuer Materialien für extreme technische Anwendungen.

„Es ist erstaunlich, die schrittweisen Bewegungen von Atomen zu beobachten und diese Informationen dann zu verwenden, um den dynamischen Gleitprozess einer Korngrenze mit komplexer Struktur zu entschlüsseln“, sagte Ting Zhu, Professor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering und einer der Hauptautoren der Studie, zu der auch Mitarbeiter der Beijing University of Technology gehörten.

Um neue und bessere polykristalline Materialien zu entwickeln, ist es entscheidend zu verstehen, wie sie sich auf atomarer Ebene verformen. Das Team strebte eine Echtzeitbeobachtung des Korngrenzengleitens an, einer bekannten Form der Verformung, die eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Festigkeit und Duktilität polykristalliner Materialien spielt. Sie entschieden sich für die Arbeit mit Platin, da seine Kristallstruktur die gleiche ist wie bei anderen weit verbreiteten polykristallinen Materialien wie Stahl, Kupfer und Aluminium. Unter Verwendung von Platin wären ihre Ergebnisse und Erkenntnisse allgemein auf eine Vielzahl von Materialien anwendbar.

Eine Kombination neuartiger Methoden

Zur Durchführung des Experiments waren mehrere Schlüsselinnovationen erforderlich. Das Team verwendete ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM), um stark vergrößerte Bilder von Atomen an Korngrenzen aufzunehmen. Das TEM schickt einen Elektronenstrahl durch eine filmartige Platinprobe, die vom Team so bearbeitet wurde, dass sie dünn genug für die Elektronenübertragung ist. Sie entwickelten auch ein kleines, millimetergroßes Testgerät, das eine mechanische Kraft auf eine Probe ausübt und am Mikroskop befestigt wird. Das TEM und das Gerät arbeiten zusammen, um Bilder der Korngrenzen während der Verformung auf atomarer Ebene zu erstellen.

Um das Gleiten der Korngrenzen auf atomarer Ebene deutlicher zu beobachten als allein durch das Betrachten der TEM-Bilder, entwickelten die Forscher ein automatisiertes Atom-Tracking-Verfahren. Diese Methode beschriftet automatisch jedes Atom in jedem TEM-Bild und korreliert sie dann zwischen den Bildern, wodurch die Verfolgung aller Atome und ihrer Bewegung während des Korngrenzengleitens ermöglicht wird. Schließlich führte das Team Computersimulationen des Gleitens von Korngrenzen unter Verwendung von atomaren Strukturen durch, die aus den TEM-Bildern extrahiert wurden. Das simulierte Rutschen half dem Team, Ereignisse auf atomarer Ebene zu analysieren und zu interpretieren. Durch die Kombination dieser Methoden konnten sie in Echtzeit visualisieren, wie sich einzelne Atome an einer deformierenden Korngrenze bewegen.

Ergebnisse

Während bekannt war, dass Korngrenzen während der Verformung polykristalliner Materialien gleiten, enthüllten Echtzeit-Bildgebung und -Analysen von Zhu und seinem Team eine große Vielfalt atomarer Prozesse, von denen einige zuvor unbekannt waren.

Sie bemerkten, dass bei der Verformung zwei benachbarte Körner gegeneinander glitten und Atome von einer Seite der Korngrenzenebene auf die andere überführten. Dieser als Atomebenentransfer bekannte Prozess war bisher unerkannt. Sie beobachteten auch, dass lokale atomare Prozesse übertragene Atome effektiv aufnehmen können, indem sie Korngrenzenstrukturen anpassen, was für das Erreichen einer höheren Duktilität von Vorteil sein kann. Bildanalysen und Computersimulationen zeigten, dass die mechanischen Belastungen während der atomaren Prozesse hoch waren und dass dies den Transfer von Atomen und Atomebenen erleichterte. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass die Veränderung der Korngrenzen von feinkörnigen Polykristallen eine wichtige Strategie ist, um Materialien fester und duktiler zu machen.

Vorausschauen

Die nachgewiesene Fähigkeit von Zhu und seinem Team, Korngrenzendeformationen im atomaren Maßstab zu beobachten, zu verfolgen und zu verstehen, eröffnet weitere Forschungsmöglichkeiten, um Grenzflächen und Versagensmechanismen in polykristallinen Materialien weiter zu untersuchen. Ein besseres Verständnis der Verformung auf atomarer Ebene kann Aufschluss darüber geben, wie sich Materialien während der Korngrenzentechnik entwickeln, eine Notwendigkeit für die Schaffung außergewöhnlicher Festigkeits- und Duktilitätskombinationen.

„Wir erweitern jetzt unseren Ansatz, um Verformungen im atomaren Maßstab bei höheren Temperaturen und Verformungsraten zu visualisieren, um bessere Materialien für extreme Anwendungen zu finden“, sagte Xiaodong Han, ein weiterer Hauptautor des Papiers und Professor an der Beijing University of Technology.

Zhu glaubt, dass die datenreichen Ergebnisse ihrer Echtzeit-Beobachtungen und -Bildgebung auf atomarer Ebene in maschinelles Lernen integriert werden könnten, um Materialverformungen genauer zu untersuchen, und dies könnte die Entdeckung und Entwicklung von Materialien schneller beschleunigen als bisher für möglich gehalten.

„Unsere Arbeit zeigt, wie wichtig es ist, Mikroskopie mit sehr hoher Auflösung zu verwenden, um das Materialverhalten auf atomarer Ebene zu verstehen. Dieser Fortschritt wird es Forschern ermöglichen, Materialien mithilfe von Atomdesign auf optimale Eigenschaften zuzuschneiden“, sagte Zhu.