Группа исследователей создала наиболее прочное серебро, превзошедшее предыдущий мировой рекорд на 42 процента.
Ученые обнаружили способ работы на наноуровне и производства металлов с повышенной прочностью, не уступающих по электропроводности известным образцам.
Этот существенный прогресс обеспечит новую классификацию материалов, превосходящую стандартный компромисс прочности и электропроводности в промышленной и коммерческой областях.
Недостатки в металле иногда вызывают нежелательные свойства, например, хрупкость или размягчение. Это побуждает ученых изготавливать различные сплавы или тяжёлые смеси материалов для повышения прочности. Но создание более прочного материала может снизить его электропроводность.
Ученые, смешав следовое количество меди с серебром, показали, что это позволяет преобразовать два типа врожденных наноразмерных дефектов в необычную внутреннюю структуру.
Фредерик Сансоз, специалист по материалам и профессор машиностроения Университета Вермонта, заявил: «Примеси напрямую притягиваются к этим дефектам. Команда использовала медную примесь – форму легирования или «микросплава», как ее называют ученые, – чтобы контролировать поведение дефектов в серебре. Как своего рода атомное джиу-джитсу, ученые использовали дефекты в своих интересах, применяя их для укрепления металла и поддержания его электропроводности».
Исследователи исходят из принципа: чем мельче кристалл или зерно материала, тем оно прочнее. Такое соотношение называют отношением Холла-Петча. Это общее правило проектирования помогло создавать прочные сплавы и развивать современное керамическое производство уже более семидесяти лет.
Пока это обстоятельство не имеет места. В конечном итоге, когда металлические частицы достигают размеров менее десятков нанометров, границы между ними становятся неустойчивыми и начинают перемещаться. Потому в другом известном методе упрочнения металлов, таких как серебро, применяются наноразмерные «когерентные двойниковые границы», представляющие собой особый вид границ зерен.
Эти структуры парных атомов, создающие симметричную зеркальную кристаллическую границу раздела, обладают высокой прочностью к деформации. За исключением того, что при уменьшении интервала между ними ниже критического размера в несколько нанометров из-за дефектов эти двойниковые границы также становятся мягкими.
Ученые отмечают: нанокристаллы напоминают кусочки ткани, а нанотвины — прочные крошечные нити на ткани. Разница в том, что это происходит в атомном масштабе. Новое исследование объединяет оба подхода для создания нанокристаллического нанотонного металла с уникальными механическими и физическими свойствами.
Сансос сообщил: «Дело в том, что атомы меди, немного меньшие, чем атомы серебра, проникают в дефекты как на границах зерен, так и на границах двойников. Это дало возможность команде использовать компьютерное моделирование атомов для начала, а затем перейти к настоящим металлам с помощью современных инструментов в национальных лабораториях, чтобы создать новую сверхпрочную форму серебра».
Медь в малых дозах не мешает движению дефектов в серебре, хотя ее всего меньше процента от общей массы. Благодаря этому у серебра сохраняется отличная проводимость электричества.
Смеси атомов меди двигаются по границам разделов, но не в пространствах между ними. Поэтому не нарушается движение электронов, проходящих сквозь эти смеси.
Металл удивительным образом переходит через размягчение, которое прежде проявлялось в виде зерен. Границы близнецов становятся очень малыми — так называемый «разрыв Лобби-Петча». Это даже превышает ставший известным гипотетическим предел Холла-Петча.
Сансос заявил, что исследователи несколько раз установили новый мировой рекорд, преодолев предел Холла-Петча в ходе тщательно контролируемых экспериментов.
Ожидается, что этот метод позволит изготовить чрезвычайно прочное и сохраняющее проводимость серебро, применимое к разнообразным металлам. Предстоит изучить новое вещество и понять его принципы действия.
Команда опубликовала результаты 23 сентября в журнале. .