Los ingenieros diseñan la dinámica nanocristalina en un sistema fácil de ver

Los ingenieros de la Universidad de Rice imitan los procesos a escala atómica para hacerlos lo suficientemente grandes como para ver cómo el corte afecta los límites de grano en los materiales policristalinos.

que borde Puede cambiar tan fácilmente que no fue del todo una sorpresa para los investigadores, que usaron matrices giratorias de partículas magnéticas para mostrar lo que sospechaban que estaba sucediendo en la interfaz entre los dominios de cristal desviados.

Según Sibanye Lisa Biswal, profesora de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería George R. Brown en Rice, y estudiante de posgrado y autora principal Dana Luebmeyer, el corte interfacial en el límite del espacio cristalino puede impulsar la evolución de las microestructuras.

Tecnología mencionada en progreso de la ciencia Puede ayudar a los ingenieros a diseñar materiales nuevos y mejorados.

a mi a simple vista, los metales comunes, las cerámicas y los semiconductores parecen homogéneos y sólidos. Pero a nivel molecular, estos materiales son policristalinos, separados por defectos conocidos como los límites de grano. La organización de estos agregados policristalinos controla propiedades como la conductividad y la resistencia.

Bajo estrés aplicado, los límites de grano pueden formarse, reconfigurarse o desaparecer por completo para adaptarse a nuevas condiciones. aunque cristales coloidales Como sistemas modelo para ver y controlar fronteras en movimiento Transiciones de fase Fue un desafío.

«Lo que es único de nuestro estudio es que en la mayoría de los estudios de cristales coloidales, los límites de grano se forman y permanecen constantes», dijo Luebmeyer. «Estaban básicamente grabados en piedra. Pero con nuestro turno campo magnético, los límites de grano son dinámicos y podemos observar su movimiento. «

En los experimentos, los investigadores indujeron coloides de cuasipartículas para formar estructuras policristalinas bidimensionales haciéndolas girar con campos magnéticos. como tal Recientemente se demostró en un estudio anterioreste tipo de sistema es muy adecuado para visualizar las transiciones de fase características de los sistemas atómicos.

Aquí, vieron que las fases sólida y gaseosa pueden coexistir, dando como resultado estructuras policristalinas que incluyen regiones libres de partículas. Demostraron que estos vacíos actúan como fuentes y sumideros para el movimiento de los límites de grano.

El nuevo estudio también muestra cómo sigue su antiguo sistema. La teoría de Reed Shockley Desde sólidos densos que predicen ángulos de desorientación y energías de límite de grano de ángulo bajo, aquellos caracterizados por una ligera desalineación entre cristales adyacentes.

A través de la aplicación de un campo magnético Sobre el partículas coloidalesArchivo de inserción Lobmeyer oxido de hierro– Las partículas de poliestireno se compactan para agregarse y observar cómo los cristales forman límites de grano.

«Por lo general, comenzamos con muchos cristales relativamente pequeños», dijo. «Después de un tiempo, los límites de los granos comenzaron a desaparecer, por lo que pensamos que podría conducir a un monocristal perfecto».

En cambio, se formaron nuevos límites de grano debido al corte en la interfaz de vacío. Al igual que los materiales policristalinos, estos materiales siguieron las predicciones de energía y ángulo de desviación realizadas por Reed y Shockley hace más de 70 años.

«Los límites de grano tienen un gran impacto en las propiedades de los materiales, por lo que comprender cómo usar los vacíos para controlar los materiales cristalinos nos brinda nuevas formas de diseñarlos», dijo Biswal. «Nuestro próximo paso es utilizar este sistema coloidal sintonizable para estudiar el recocido, un proceso que involucra múltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento para eliminar defectos dentro de los materiales cristalinos».

La Fundación Nacional de Ciencias (1705703) apoyó la investigación. Biswal es profesor William M. McCardle de ingeniería química y profesor de ingeniería química y biomolecular y ciencia de materiales y nanoingeniería.