La mayoría de metales y semiconductores, desde el acero en la hoja de un cuchillo hasta el silicio en un panel solar, están formados por muchos pequeños granos cristalinos. La forma en que estos granos se encuentran en sus bordes puede tener un gran impacto en las propiedades del sólido, incluida la resistencia mecánica, conductividad eléctrica, propiedades termales, flexibilidad, etcétera.

Cuando los límites entre los granos son de un tipo particular, llamado límite gemelo coherente (CTB), esto agrega propiedades útiles a ciertos materiales, especialmente a nanoescala. Aumenta su fuerza, Haciendo que el material sea mucho más fuerte al mismo tiempo que conserva su capacidad de deformarse, a diferencia de la mayoría de los otros procesos que añaden fuerza. Ahora, Los investigadores han descubierto un nuevo mecanismo de deformación de estos límites de cristales gemelos, lo que podría ayudar a los ingenieros a descubrir cómo usar CTB con mayor precisión para ajustar las propiedades de algunos materiales.

Contrario a las expectativas, resulta que los granos de cristal de un material a veces pueden deslizarse a lo largo de estos CTB. El nuevo hallazgo se describe en un artículo publicado esta semana en la revista Comunicaciones de la naturaleza por Ming Dao, científico investigador principal del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT; Subra Suresh, el profesor emérito de ingeniería Vannevar Bush y presidente designado de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur; Ju Li, el profesor de Battelle Energy Alliance en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT; y otros siete en el MIT y en otros lugares.

Si bien cada grano de cristal está formado por una matriz tridimensional ordenada de átomos en una estructura reticular, Los CTB son lugares donde, a los dos lados de un límite, la celosía forma una imagen especular de la estructura del otro lado. Cada átomo a cada lado del límite gemelo coherente coincide exactamente con un átomo en una ubicación simétrica al espejo en el otro lado. Muchas investigaciones realizadas en los últimos años han demostrado que las celosías que incorporan CTB a nanoescala pueden tener una resistencia mucho mayor que el mismo material con límites de grano aleatorios. sin perder otra propiedad útil llamada ductilidad, que describe la capacidad de un material para estirarse.

Algunas investigaciones previas sugirieron que estos límites de cristales gemelos son incapaces de deslizarse debido al número limitado de defectos. En efecto, no se han reportado observaciones experimentales de tal deslizamiento antes a temperatura ambiente. Ahora, una combinación de análisis teórico y trabajo experimental informado en el Comunicaciones de la naturaleza papel ha demostrado que, de hecho, bajo ciertos tipos de cargas, estos granos pueden deslizarse a lo largo del límite. Comprender esta propiedad será importante para desarrollar formas de diseñar propiedades de materiales para optimizarlas para aplicaciones específicas. Dao dice.

"Muchos materiales nanocristalinos de alta resistencia [con tamaños de grano medidos en menos de 100 nanómetros] tienen propiedades de baja ductilidad y fatiga, y el fracaso crece bastante rápido con poco estiramiento, ", dice. A la inversa, en los metales que incorporan CTB, que "aumenta la resistencia y conserva la buena ductilidad". Pero comprender cómo se comportan estos materiales cuando se someten a diversas tensiones mecánicas es importante para poder aprovecharlos para usos estructurales. Por una cosa, significa que la forma en que el material se deforma es bastante desigual:las distorsiones en la dirección de los planos de los CTB pueden ocurrir mucho más fácilmente que en otras direcciones.

El experimento se realizó con cobre, pero los resultados deberían aplicarse a algunos otros metales con estructuras cristalinas similares, como el oro, plata, y platino. Estos materiales se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos, Dao dice. "Si diseña estos materiales" con estructuras en el rango de tamaño explorado en este trabajo, que implica características de menos de unos pocos cientos de nanómetros de diámetro, "es necesario conocer este tipo de modos de deformación".

El deslizamiento una vez entendido, se puede utilizar para obtener ventajas significativas. Por ejemplo, los investigadores podrían diseñar nanoestructuras extremadamente fuertes basándose en la conocida dependencia de la orientación; o conociendo el tipo y la dirección de la fuerza que se requiere para iniciar el deslizamiento, podría ser posible diseñar un dispositivo que pudiera activarse, como una alarma, en respuesta a un nivel específico de estrés.

"Este estudio confirmó el deslizamiento de CTB, que antes se consideraba imposible, y sus particulares condiciones de conducción, "dice Zhiwei Shan, coautor principal y decano de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Xi'an Jiao Tong en China. "Muchas cosas podrían ser posibles cuando se descubran condiciones de activación o habilitación previamente desconocidas".

"Este trabajo ha identificado a través de experimentos y análisis sistemáticos la ocurrencia de una característica mecánica importante que se encuentra solo en ciertos tipos especiales de interfaces y en la nanoescala. Dado que este fenómeno puede potencialmente ser aplicable a una amplia gama de materiales cristalinos, uno puede imaginar nuevos enfoques de diseño de materiales que involucren nanoestructuras para optimizar una variedad de características mecánicas y funcionales, "Dice Suresh.

"Este descubrimiento podría cambiar fundamentalmente nuestra comprensión de la deformación plástica en metales nanotwinning y debería ser de gran interés para la comunidad de investigación de materiales". "dice Huajian Gao, el Profesor Walter H. Annenberg de Ingeniería en la Universidad de Brown, que no estuvo involucrado en este trabajo.

Gao añade que "los CTB son clave para diseñar nuevos materiales nanotwinning con propiedades mecánicas y físicas superiores, como resistencia, ductilidad, tenacidad, conductividad eléctrica, y estabilidad térmica. Este artículo avanza significativamente nuestro conocimiento en este campo al revelar un deslizamiento a gran escala de los CTB ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.