Команда ученых сделала самое сильное серебро, которое на 42 процента сильнее предыдущего мирового рекорда.
Более того, ученые открыли механизм, который позволит им работать на наноуровне и производить металлы, которые намного прочнее, чем что-либо изобретенное ранее, без потери электропроводности.
Этот фундаментальный скачок вперед гарантирует другую классификацию материалов, которая может превзойти обычный обмен в промышленных и коммерческих материалах между прочностью и способностью передавать электрический поток.
Дефекты в металлах иногда приводят к нежелательным качествам, таким как хрупкость или размягчение. Это заставляет ученых создавать различные сплавы или тяжелые смеси материалов, чтобы сделать их более прочными. Но создание более прочного материала может привести к потере проводимости материала.
С идеей смешать следовое количество меди в серебре, ученые продемонстрировали, что это может превратить два вида врожденных наноразмерных дефектов в невероятную внутреннюю структуру.
Фредерик Сансоз, специалист по материалам и профессор машиностроения в Университете Вермонта, сказал : «Это потому, что примеси напрямую притягиваются к этим дефектам. Другими словами, 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, используя их для укрепления металла и поддержания его электропроводности».
Ученые начали с основополагающей идеи конструирования материалов: когда размер кристалла или зерна материала становится меньше, он становится сильнее. Ученые называют это отношением Холла-Петча. Это общее правило проектирования позволило исследователям и специалистам создавать более прочные сплавы и современное керамическое производство более 70 лет.
Пока это не так. В конце концов, когда зерна металла достигают бесконечно крошечного размера — меньше десятков нанометров — границы между зернами становятся нестабильными и начинают двигаться. Поэтому в другом известном подходе к упрочнению металлов, таких как серебро, используются наноразмерные «когерентные двойниковые границы», которые представляют собой особый тип границы зерен.
Эти структуры парных атомов, образующие симметричную зеркальную кристаллическую границу раздела, чрезвычайно сильны для деформации. За исключением того, что эти двойниковые границы тоже становятся мягкими, когда их промежуток падает ниже критического размера в несколько нанометров из-за несовершенства.
Ученые отмечают: «Грубо говоря, нанокристаллы похожи на кусочки ткани, а нанотвины — на прочные, но крошечные нити на ткани. За исключением того, что они в атомном масштабе. Новое исследование объединяет оба подхода, чтобы сделать то, что ученые называют нанокристаллическим нанотонным металлом, обладающим уникальными механическими и физическими свойствами».
Сансос объяснил: «Это потому, что атомы меди, немного меньшие, чем атомы серебра, переходят в дефекты как на границах зерен, так и на границах двойников. Это позволило команде — используя компьютерное моделирование атомов в качестве отправной точки, а затем перейти к реальным металлам с помощью современных инструментов в национальных лабораториях — для создания новой сверхсильной формы серебра».
«Крошечные примеси меди в серебре препятствуют перемещению дефектов, но представляют собой такое небольшое количество металла — менее одного процента от общего количества — что сохраняется высокая электропроводность серебра».
«Примеси атома меди проходят вдоль каждой границы раздела, а не между ними. Таким образом, они не разрушают электроны, которые распространяются через них».
Удивительно, что металл преодолевает размягчение, ранее наблюдавшееся в виде зерен. Кроме того, границы близнецов становятся чрезмерно малыми — так называемый «разрыв Лобби-Петча». Более того, он даже превышает давний гипотетический предел Холла-Петча.
Сансос сказал: «Мы побили мировой рекорд, и предел Холла-Петча тоже, не один раз, а несколько раз в ходе этого исследования, с очень контролируемыми экспериментами».
«Я надеюсь, что этот подход можно использовать для создания сверхпрочного и по-прежнему проводящего серебра, которое можно применять ко многим другим металлам. Это новый класс материалов, и мы только начинаем понимать, как они работают».
Результаты команды были опубликованы 23 сентября в журнале .