Рождение сверхпрочных материалов: как нанопокрытия обманывают физику разрушения

Международная команда исследователей, в состав которой вошли специалисты Сколтеха под руководством профессора Александра Корсунского, совершила прорыв в понимании механики твердых тел. Впервые ученым удалось напрямую измерить распределение механических напряжений внутри сложного многослойного покрытия с невероятной точностью – до 80 нанометров.

Рождение сверхпрочных материалов: как нанопокрытия обманывают физику разрушения
Новый наномеханический зонд состоит из наконечника индентора из монокристаллического алмаза, покрытого нанокристаллическим алмазом методом химического осаждения из газовой фазы. Зонд изображен в контакте с тонкой многослойной пленкой ZrN-ZrCu при постоянной нагрузке, в то время как область интереса (ROI) размером y  = 20 мкм и z  = 12 мкм сканируется рентгеновским лучом диаметром 75 нм. При шаге сканирования 80 нм на каждом этапе нагружения регистрировались 37500 двумерных дифрактограмм Дебая-Шеррера

Для этого был создан уникальный инструмент – алмазный индентор, покрытый слоем синтетического монокристаллического алмаза толщиной почти четыре микрона. Используя мощь синхротронного излучения во французском Гренобле (ESRF), исследователи сканировали зону контакта лучом диаметром всего 75 нанометров. Это позволило зафиксировать более 37 тысяч дифракционных картин и построить детальные карты того, как материал сопротивляется давлению в реальном времени.

Эксперимент показал поразительную разницу между монолитными и многослойными структурами. В однослойной керамике напряжения достигали критических значений, провоцируя зарождение трещин у основания. Однако чередование слоев нитрида циркония (ZrN) с прослойками аморфного сплава ZrCu изменило правила игры. Мягкие металлические пленки сработали как микроскопические амортизаторы. Они «экранировали» передачу удара от слоя к слою, распределяя деформацию по большему объему. Пиковые сжимающие напряжения снизились, а растягивающие силы, разрывающие материал, практически исчезли. В итоге покрытие рассеяло около трети упругой энергии через пластическую деформацию интерфейсов, не позволив ей пойти на разрушение структуры.

«Это не просто прорыв в разрешении – мы даем инженерам способ прямого определения напряжений на уровне отдельных шероховатостей в реальном контакте, то есть такой инструментарий, о котором могли лишь мечтать Буссинеск, Герц, а также Гринвуд и Вильямсон», – прокомментировал Александр Корсунский.

Результаты работы опубликованы в журнале Communications Materials. Теперь инженеры могут проектировать сверла, лопатки турбин и медицинские импланты, опираясь на точные физические модели, что позволит увеличить ресурс службы изделий в несколько раз.

Читайте также

Логические игры помогают дошкольникам развивать самоконтроль

Логические игры помогают дошкольникам развивать самоконтроль

Ученые выяснили, куда смотрят дети и взрослые при чтении

Ученые выяснили, куда смотрят дети и взрослые при чтении

Аморфный углерод вместо графита сделает аккумуляторы долговечнее

Аморфный углерод вместо графита сделает аккумуляторы долговечнее

Учёные выяснили, что географические полюса Земли неоднократно меняли своё положение

Учёные выяснили, что географические полюса Земли неоднократно меняли своё положение

Физики МГУ сократили потери света в оптических процессорах

Физики МГУ сократили потери света в оптических процессорах

Квантовая нанофотоника повысила чувствительность биомедицинских микрочипов

Квантовая нанофотоника повысила чувствительность биомедицинских микрочипов

Математики МФТИ ускорили проверку рельсов с помощью аналитических сеток

Математики МФТИ ускорили проверку рельсов с помощью аналитических сеток

Клетки крови 80-летнего превратили в нейронные стволовые клетки юноши

Клетки крови 80-летнего превратили в нейронные стволовые клетки юноши

Почему невозможно создать абсолютно точную карту Земли, Луны или Марса?

Почему невозможно создать абсолютно точную карту Земли, Луны или Марса?

Обзор iPhone 18 Pro Max: Apple A20 Pro, переменная диафрагма и лучшая автономность в истории серии

Обзор iPhone 18 Pro Max: Apple A20 Pro, переменная диафрагма и лучшая автономность в истории серии

Оптические иллюзии Парфенона оказались мифом

Оптические иллюзии Парфенона оказались мифом

Что происходит с физикой, когда вы прыгаете в вагоне поезда?

Что происходит с физикой, когда вы прыгаете в вагоне поезда?

Наша Вселенная может находиться внутри чёрной дыры — астрономы нашли новые аргументы в пользу необычной теории

Наша Вселенная может находиться внутри чёрной дыры — астрономы нашли новые аргументы в пользу необычной теории

Учёные обнаружили два семейства планетных систем, судьбу которых определяют звёзды

Учёные обнаружили два семейства планетных систем, судьбу которых определяют звёзды

Умные очки Samsung с Gemini AI получат камеру 3K и до 9 часов автономной работы

Умные очки Samsung с Gemini AI получат камеру 3K и до 9 часов автономной работы

Астрономы обнаружили необычную органическую химию вокруг молодых звёзд — она может раскрыть тайну зарождения жизни

Астрономы обнаружили необычную органическую химию вокруг молодых звёзд — она может раскрыть тайну зарождения жизни