Теперь группа исследователей из Университета Брауна нашла способ настраивать структуру металлических зерен снизу вверх. В статье, опубликованной в журнале Chem, исследователи демонстрируют метод разрушения отдельных металлических нанокластеров вместе с образованием твердых макро-кусков твердого металла. Механические испытания металлов, изготовленных с использованием этой технологии, показали, что они в четыре раза тверже, чем металлические конструкции природного происхождения.
«Молоток и другие методы упрочнения – все это нисходящие способы изменения структуры зерна, и очень сложно контролировать размер зерна, который вы получите», – сказал Оу Чен, доцент кафедры химии Брауна и автор нового исследования. «Мы создали строительные блоки из наночастиц, которые сливаются вместе, когда вы их сжимаете. Таким образом, мы можем получить однородные размеры зерен, которые можно точно настроить для улучшения свойств."
Для этого исследования ученые сделали «монеты» сантиметрового масштаба, используя наночастицы золота, серебра, палладия и других металлов. Изделия такого размера могут быть полезны для изготовления высококачественных покрытий, электродов или термоэлектрических генераторов (устройств, преобразующих тепловые потоки в электричество). Но исследователи считают, что этот процесс можно легко расширить, чтобы получить сверхтвердые металлические покрытия или более крупные промышленные компоненты.
По словам Чена, ключом к процессу является химическая обработка строительных блоков наночастиц.
Наночастицы металлов обычно покрыты органическими молекулами, называемыми лигандами, которые обычно предотвращают образование связей металл-металл между частицами. Чен и его команда нашли способ химически удалить эти лиганды, позволяя кластерам слиться вместе с небольшим давлением.
Исследования показали, что металлические монеты, изготовленные с помощью этой техники, были значительно тверже, чем стандартные металлические.
Золотые монеты, например, были в два-четыре раза тверже обычных. Исследователи обнаружили, что другие свойства, такие как электрическая проводимость и коэффициент отражения света, практически идентичны стандартным металлам.
По словам Чена, оптические свойства золотых монет были захватывающими, поскольку при прессовании наночастиц в массивный металл произошло резкое изменение цвета.
«Из-за так называемого плазмонного эффекта наночастицы золота на самом деле имеют пурпурно-черный цвет», – сказал Чен. "Но когда мы оказали давление, мы видим, что эти пурпурные кластеры внезапно превращаются в ярко-золотой цвет.
Это один из способов, которым мы узнали, что на самом деле сформировали большое количество золота."
Теоретически, говорит Чен, эту технику можно использовать для изготовления любого металла. Фактически, Чен и его команда показали, что они могут создавать экзотическую форму металла, известную как металлическое стекло.
Металлические стекла аморфны, то есть в них отсутствует регулярно повторяющаяся кристаллическая структура нормальных металлов. Это дает начало замечательным свойствам.
Металлические стекла легче формуются, чем традиционные металлы, они могут быть намного прочнее и устойчивее к растрескиванию, а также проявлять сверхпроводимость при низких температурах.
«Изготовить металлическое стекло из одного компонента, как известно, сложно, поэтому большинство металлических стекол – это сплавы», – сказал Чен. «Но мы смогли начать с аморфных наночастиц палладия и использовать нашу технику для изготовления палладиевого металлического стекла."
Чен надеется, что однажды эту технику можно будет широко использовать для коммерческих продуктов. Химическая обработка нанокластеров довольно проста, а давление, используемое для их сжатия, находится в пределах диапазона стандартного промышленного оборудования.
Чен запатентовал методику и надеется продолжить ее изучение.
«Мы думаем, что здесь есть большой потенциал как для промышленности, так и для научно-исследовательского сообщества», – сказал Чен.