Учёные из Университета Лихай и Центра комплексных нанотехнологий (CINT) Министерства энергетики США совместными усилиями изучают, как крошечные границы в наноматериалах оказывают значительное влияние на их характеристики. Речь идёт о бесконечно малых областях или границах, где атомы в кристаллах сходятся вместе.
По словам Фади Абдельджавада, доцента кафедры материаловедения и инженерии в Колледже инженерии и прикладных наук имени П. К. Россина при Университете Лихай, атомы объединяются, образуя нанокристаллы, которые по сути являются структурами размером примерно в 1/10 000 толщины человеческого волоса. Эти кристаллы собираются вместе, как кусочки паззла, образуя большинство конструкционных материалов.
Исследователи обнаружили, что области, где встречаются кристаллы, играют решающую роль в определении того, как ведёт себя материал. В опубликованной статье в Nano Letters исследователи рассмотрели, как крошечные особенности в наноматериалах, известные как тройные соединения, играют решающую роль в поддержании стабильности этих материалов при высоких температурах.
Нанокристаллические материалы имеют чрезвычайно тонкую структуру, состоящую из множества крошечных кристаллов. Этот крошечный размер кристалла может сделать материал прочнее. Однако сохранение этих кристаллов маленькими и стабильными с течением времени является сложной задачей, поскольку они имеют тенденцию к росту, что может ослабить материал.
Исследователи обнаружили, что ключ к поддержанию стабильности этих материалов при высоких температурах лежит в тройных соединениях, — углах, где встречаются три из этих нанокристаллов. Учёные обнаружили, что когда определённые атомы добавляются для формирования сплава, они «предпочитают» занимать места в этих тройных стыках. Эта «химическая сегрегация» или сбор атомов в тройных стыках помогает удерживать зёрна от роста, тем самым предотвращая потерю прочности материала с течением времени.
Это исследование продемонстрировало, что атомы золота, размещённые в тройных стыках в платиновом наноматериале, позволяют материалу оставаться стабильным в условиях высоких температур.
По словам Абдельджавада, понимая этот процесс, учёные могут разрабатывать более совершенные нанокристаллические сплавы. Они могут выбирать определённые элементы, которые войдут в тройные соединения и стабилизируют материал. Это особенно важно для таких областей, где прочность и долговечность при повышенных температурах являются ключевыми, например, в аэрокосмической и энергетической промышленности.
Абдельджавад, специалист по вычислительным материалам в Лихай, провёл масштабные вычислительные исследования, которые предсказали эти результаты. Для проверки моделей вычислительная группа объединилась с Центром интегрированных нанотехнологий (CINT). CINT предоставляет инструменты и экспертные знания для наномасштабных исследований, позволяя проводить исследования в области материаловедения, нанопроизводства и нанофотоники.