La deformación inducida por el estrés a lo largo de los bordes del níquel nanocristalino refleja la actividad de dislocación observada por los investigadores de la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab utilizando una estación experimental de difracción de rayos X radial de células de yunque de diamante. Crédito:Imagen cortesía de Bin Chen, Laboratorio de Berkeley
(Phys.org) —Los nanocristales como recubrimientos protectores para turbinas de gas y motores a reacción avanzados están recibiendo mucha atención por sus muchas propiedades mecánicas ventajosas, incluida su resistencia al estrés. Sin embargo, contrariamente a las simulaciones por computadora, el diminuto tamaño de los nanocristales aparentemente no los protege de defectos.
En un estudio realizado por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y colaboradores de múltiples instituciones, Los nanocristales de níquel sometidos a alta presión continuaron sufriendo deformaciones plásticas mediadas por dislocaciones incluso cuando los cristales tenían sólo tres nanómetros de tamaño. Estos hallazgos experimentales, que se llevaron a cabo en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, una fuente principal de rayos X y luz ultravioleta para la investigación científica, muestran que se pueden formar dislocaciones en los nanocristales más finos cuando se aplica tensión.
"No podemos ignorar o subestimar el papel de las dislocaciones (defectos o irregularidades) en los nanocristales finos, ya que el estrés externo puede cambiar todo el panorama". "dice Bin Chen, científico de materiales del Grupo de Sistemas Experimentales ALS que dirigió esta investigación. "Nuestros resultados demuestran que la deformación mediada por la dislocación persiste en tamaños de cristal más pequeños de lo previsto, principalmente porque los modelos informáticos no han prestado suficiente atención a los efectos de la tensión externa y los límites de grano ".
Chen es el autor principal y correspondiente de un artículo en Ciencias describiendo este trabajo. El artículo se titula "Textura del níquel nanocristalino:sondeando el límite de tamaño inferior de la actividad de dislocación". Los coautores de este artículo fueron Katie Lutker, Selva Vennila Raju, Jinyuan Yan, Waruntorn Kanitpanyacharoen, Jialin Lei, Shizhong Yang, Hans-Rudolf Wenk, Ho-kwang Mao y Quentin Williams.
Una celda radial de yunque de diamante permite experimentos de difracción de rayos X in situ en la línea de haz supercurvo 12.2.2 de la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. Crédito:Foto de Roy Kaltschmidt, Laboratorio de Berkeley
La deformación plástica es un cambio permanente en la forma o tamaño de un material como resultado de una tensión aplicada. La probabilidad de deformación plástica aumenta con la presencia de dislocaciones (defectos o irregularidades) dentro de la estructura del material. La mayoría de los materiales están formados por pequeños cristales, llamados "granos, "y lo que sucede en los límites entre estos granos es fundamental para las propiedades del material. Basado en simulaciones por computadora y análisis de microscopía electrónica, la creencia ha sido que la deformación plástica mediada por la dislocación se vuelve inactiva por debajo de un tamaño de grano de al menos 10 nanómetros, y posiblemente tan grande como 30 nanómetros.
"La idea era que por debajo de una escala de longitud crítica, La actividad de deformación mediada por dislocación daría paso al deslizamiento de los límites de grano, difusión, y rotación de granos, "Dice Chen." Sin embargo, había muchas preguntas sin resolver con respecto a si la plasticidad en granos nanocristalinos ultrafinos aún podría generarse por dislocaciones y cómo la presión podría afectar los regímenes de deformación ".
Para investigar el tamaño del grano y los efectos de la presión sobre la deformación plástica de los nanometales, Chen y sus colegas utilizaron ALS Beamline 12.2.2, una línea de haz de imán de curvatura superconductora que soporta experimentos radiales de difracción de rayos X de células de yunque de diamante. Chen y sus coautores registraron observaciones in situ bajo un rango de altas presiones de texturizado (cuando los granos cristalinos tienen orientaciones preferidas) en muestras de níquel policristalino estresado con tamaños de grano de 500-, 20 y 3 nanómetros.
"Se observó una textura sustancial a presiones superiores a 3,0 gigapascales para el níquel con un tamaño de grano de 500 nanómetros y a más de 11,0 gigapascales para el níquel con un tamaño de grano de 20 nanómetros, "Dice Chen." Sorprendentemente, También se observó textura en níquel con un tamaño de grano de 3 nanómetros cuando se comprimió por encima de 18,5 gigapascales. Esto nos dice que bajo altas presiones externas, la actividad de dislocación puede extenderse hasta una escala de unos pocos nanómetros de longitud ".
Chen y sus coautores comenzaron con níquel nanocristalino porque su estructura cúbica del centro de la cara permanece estable bajo un amplio rango de presión. Ahora están aplicando sus técnicas al estudio de otros materiales nanocristalinos, tanto metales como no metales.
