17 feb. 1999
2 minuten
Microscopische spanning op atoomniveau speelt een zeer belangrijke rol bij het bepalen van de hardheid en mechanische eigenschappen van materialen. Dit effect was al uit ervaring bekend sinds men in de middeleeuwen wapens en landbouwwerktuigen vervaardigde, maar Peter Schall van de Universiteit van Amsterdam en zijn collega’s van Cornell University hebben nu ontdekt hoe deze minuscule druk op atoomniveau direct zichtbaar en meetbaar kan worden gemaakt.
Hun bevindingen, gepubliceerd in Nature Materials, geven meer inzicht in microscopisch kleine gebreken in materialen en kunnen gebruikt worden om hoogwaardigere materialen te ontwikkelen met eigenschappen die steeds verder verbeterd worden.
IJzersmeden
De smid uit de middeleeuwen wist al dat wanneer hij het gloeiende ijzer met zijn hamer tot speerpunten of een pikhouweel smeedde, hij hiermee het materiaal harder maakte en de prestaties ervan aanzienlijk verbeterde. Tegenwoordig weten we dat deze verharding komt doordat op atoomniveau defecten in het materiaal ontstaan, die door hun wisselwerking het materiaal stijver maken. Een bekend voorbeeld is staal, waarin koolstofatomen fungeren als defecten die het materiaal vele malen harder maken dan het oorspronkelijke ijzer zelf was.
Deze verharding wordt veroorzaakt door de interne spanning op atoomniveau, die, door superpositie, het mechanische gedrag van het materiaal op grotere schaal bepaalt. Hoewel de driedimensionale spanningsvelden van afzonderlijke atomische defecten grotendeels bekend zijn, is het minder duidelijk hoe hun complexe wisselwerking de materiaaleigenschappen bepaalt. Dit komt doordat het nog altijd moeilijk is om de superpositie te meten van de spanning op atoomniveau die de wisselwerking tussen deze defecten bepaalt.
Modelmateriaal op micrometerschaal
Het is onderzoekers van Cornell University samen met Peter Schall van het Institute of Physics van de UvA nu gelukt om deze microscopisch kleine spanningen in een modelmateriaal direct zichtbaar te maken en te meten. Hiervoor hebben ze minuscule bolletjes ter grootte van een micrometer gebruikt, die in een oplosmiddel drijven. Deze bolletjes vormen alle fases van stoffen, namelijk gas, vloeistof en met name vaste stof, en gedragen zich in vele opzichten als atomen.
Uit eerder onderzoek van enkele van de onderzoekers was gebleken dat deze modelmaterialen defecten vertonen die zich op dezelfde wijze verspreiden en op dezelfde wijze op elkaar inwerken als defecten in atomische materialen. Aangezien de deeltjes vele malen groter zijn dan atomen, kunnen ze gemakkelijk driedimensionaal afgebeeld worden, wat een gedetailleerde afbeelding van materiaalprocessen op atoomniveau oplevert.
Nanotextuur
In de gebruikte modelmaterialen worden spanningen overgedragen door botsingen. Door hun thermische beweging botsen de deeltjes in het compacte materiaal op elkaar. Hoe dichter de deeltjes op elkaar zitten, des te vaker ze botsen. De auteurs hebben een protocol bedacht om de afgebeelde deeltjesafstanden in botsingen om te zetten en daarna in spanning op deeltjesniveau. De resulterende fijn ontlede spanning geeft een gedetailleerd en levendig beeld van complexe spanningsvelden in materialen en toont ook hoe atomische defecten door hun wisselwerking materiaaleigenschappen op grotere schaal bepalen. Het onderzoek geeft niet alleen nieuwe inzichten in een van de oudste en grootste problemen in de materiaalwetenschap, maar kan ook worden gebruikt om nieuwe materialen met nanotextuur te ontwikkelen, waarin de superpositie en wisselwerking van de defecten zodanig is ontworpen dat het specifieke gewenste materiaaleigenschappen oplevert.
Neil Y. C. Lin, Matthew Bierbaum, Peter Schall, James P. Sethna and Itai Cohen: ‘Measuring nonlinear stresses generated by defects in 3D colloidal crystals‘, in: Nature Materials, 1 August 2016.
Doi:10.1038/nmat4715
Anderen lazen ook
