Como estruturas de metal ficam menores - como suas dimensões abordagem da escala micrométrica (milionésimos de metro) ou menos - eles ficam mais fortes. Os cientistas descobriram este fenômeno, há 50 anos, enquanto a medição da força de estanho "bigodes" alguns micrômetros de diâmetro e alguns milímetros de comprimento. Muitas teorias têm sido propostas para explicar por menores é mais forte, mas só recentemente é que se tornou possível ver e gravar o que está realmente acontecendo em minúsculas estruturas sob estresse.  Figura 1. Compressão de um pilar de níquel cujo livre final tem um diâmetro de cerca de 150 nanômetros. Antes da compressão (esquerda) o pilar tem uma alta densidade de defeitos, visíveis como manchas escuras. Após a compressão todos os defeitos foram expulsos, um processo não observado anteriormente conhecido como "mecânica annealing". Força a nível nanométrico Andrew Menor, da Divisão de Ciências dos Materiais do Departamento de Lawrence Energia Berkeley National Laboratory, com colegas de Hysitron Incorporated e da General Motors de Pesquisa e Desenvolvimento Center, usou o em microscópio Situ no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica (NCEM) para gravar o que acontece quando colunas de níquel com diâmetros entre 150 e 400 nanômetros (bilionésimos de metro) são comprimidas sob um soco plana feita de diamante. O microscópio eletrônico de transmissão é equipada de modo que as amostras podem ser salientado, medido e gravado sendo observado sob o feixe de elétrons. "O que controla a deformação de um objeto de metal é a maneira que os defeitos, chamados de deslocamentos, mover ao longo de planos em sua estrutura cristalina," Minor diz. "O resultado de deslizamento deslocamento é a deformação plástica. Por exemplo, dobra um clipe de papel faz com que seus trilhões de deslocamentos por centímetro quadrado para tangle up e se multiplicam como eles correm em um outro e deslize ao longo de planos deslizamento numerosos." Deformação mecânica Em geral, deformação mecânica tende a aumentar o número de deslocamentos em um material. Mas, para estruturas de pequena escala, com uma proporção muito maior de área de superfície para volume, o processo pode ser muito diferente. As imagens gravadas a partir do microscópio eletrônico ajudou os pesquisadores a entender por pilares de níquel em nanoescala são tão fortes, permitindo-lhes observar as mudanças na microestrutura dos pilares durante a deformação - ". Mecânica annealing", incluindo um processo nunca antes visto os pesquisadores apelidado (Em materiais a granel, de recozimento, um tratamento que reduz a densidade de defeitos, normalmente é realizado por aquecimento.) Redução dos deslocamentos Menor diz: "A primeira coisa que observamos foi que, antes do teste, os pilares em nanoescala de níquel estavam cheios de deslocamentos Mas como nós comprimida do pilar, todos os deslocamentos foram expulsos do material - literalmente. Reduzindo a densidade de discordâncias em 15 ordens de magnitude e produção de um cristal perfeito. Chamamos esse efeito mecânico annealing ". Usinagem feixe de íon focalizado Os pilares Menor e seus colegas testaram foram usinadas a partir de níquel puro, utilizando um feixe de íons focalizado (FIB), uma nova técnica para os pequenos ensaios mecânicos de compressão descrita pela primeira vez em 2004 por Michael Uchic da Força Aérea dos EUA Research Laboratory e seus colegas. A técnica FIB torna possível a criação de estruturas muito menores do que o metal "bigodes" primeiro estudou na década de 1950, que são feitas pelo crescimento de cristais. Alguns dos deslocamentos os pesquisadores observaram nos pilares usinados foram relativamente rasas e causada pelo ion vigas si. Outros estendida através do cristal e presumivelmente foram pré-existentes defeitos. Sob compressão mecânica, tratamento térmico causado ambos os tipos de defeito a desaparecer. "Essencialmente, todos os deslocamentos escapar do cristal na superfície, e você não tem armazenamento de deslocamentos, como você faria em cristais maiores," Minor diz. "O resultado é um processo chamado de" fome deslocamento ", recentemente proposto por William D. Nix de Stanford, entre outros, que rapidamente se tornou uma das principais teorias do porquê de estruturas menores são mais fortes." Menores, explica: "A idéia é que se deslocamentos escapar o material antes que eles possam interagir e se multiplicar, não são suficientes deslocamentos ativos para permitir a deformação imposta. A estrutura só pode deformar após deslocamentos são criadas novas". Este é precisamente o processo que ele e seus colegas observaram com NCEM em microscópio Situ, fortes evidências de que "a fome deslocamento" é a explicação correta para o aumento da força de pequenas estruturas. Material de defeito grátis e Mecânica Annealing O que acontece se um defeito sem pilar de níquel em nanoescala continua a ser comprimido? Algo tem que dar, o que acontece quando novas fontes de "núcleos" deslocamento no material. Como os deslocamentos existentes desaparecem na coluna por causa da mecânica de recozimento, a nucleação de fontes de deslocamento de novo acontece em tensões progressivamente maior. Nas estruturas de pilar, deformação plástica pode assumir a forma de achatamento súbita, abaulamento, torcendo, ou de ruptura do pilar, como explosões de novas luxações propagar através dele. Ou os pilares endurecidos, mais forte por mecânicos de recozimento, pode soco direito para dentro do substrato - apesar de coluna e substrato são a mesma peça contínua de metal. Ambos os processos foram capturados no Microscópio Em Situ dramático experimentos filmados.  Figura 2. Andrew Minor com o Microscópio Em Situ na Nacional Centro de Microscopia Eletrônica Deformação e Geometria A usinagem FIB utilizado pelos pesquisadores NCEM produzido pilares níquel que foram ligeiramente cônico, e os pesquisadores notaram que esta geometria afetadas onde e como ocorreu deformação plástica, sendo geralmente maior no diâmetro menor-end, livre (topo) do pilar. Força aprimorada Mesmo em amostras com Deformações Em pilares maiores, aqueles que se aproximam de 300 nanômetros de diâmetro, mecânica annealing não estava completa, e alguns deslocamentos permaneceu visível mesmo após a compressão. No entanto, mesmo esses pilares exibiu força maior, e salienta progressivamente mais altos eram necessários para continuar a deformação - sublinhando o ponto que é a criação de defeitos móveis que determina a força nestes pequenos volumes. "A beleza da geometria pilar-teste é que podemos definir diretamente o estresse. Então, podemos correlacionar as tensões medidas com eventos discretos plástico gravado in situ e mais claramente interpretar os dados quantitativos de nossas experiências", diz o menor. "O debate sobre o que determina a força de uma pequena estrutura chegou até quase uma questão da galinha e do ovo - é algo forte, porque você precisa de uma alta tensão para mover um deslocamento que já está lá Ou é forte, porque você precisa? ? uma alta tensão para nucleate uma luxação novo Neste caso, parece que a nucleação de origem - isto é, o "ovo" - é o fator determinante ". Agradecimentos "Annealing Mecânica e fonte limitada deformação em cristais submicrometre diâmetro-Ni," por ZW Shan, Raj Mishra, Syed Asif SA, L. Oden Warren e Andrew M. Minor, aparece na edição de janeiro de 2008 questão da revista Nature Materials, o avanço publicação on-line 23 de dezembro de 2007 em http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat2085.html . Este trabalho foi parcialmente financiado por uma concessão do Departamento de Energia dos EUA para Hysitron, Inc., e também por uma concessão do escritório da CORÇA da Ciência, Instituto de ciências básicas da energia. |