У металлургов есть масса способов сделать кусок металла тверже. Его можно согнуть, скрутить, пропустить между двумя роликами или забить молотком. Эти методы работают, разрушая зернистую структуру металла — микроскопические кристаллические домены, которые образуют объемный кусок металла. Более мелкие зерна делают металлы более твердыми.
Теперь группа исследователей из Университета Брауна нашла способ настраивать структуру металлических зерен снизу вверх. В статье, опубликованной в журнале Chem, исследователи демонстрируют метод разбивания отдельных металлических нанокластеров вместе с образованием твердых макро-кусков твердого металла. Механические испытания металлов, изготовленных с использованием этого метода, показали, что они в четыре раза тверже, чем металлические конструкции, встречающиеся в природе.
Молоток и другие методы упрочнения — все это нисходящие способы изменения структуры зерна, и очень сложно контролировать размер зерна, который вы получите. В ходе этого эксперимента ученые создали строительные блоки из наночастиц, которые сливаются вместе, когда их сжимают. Таким образом получая зерна одинакового размера, 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 материалов для 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 ведущего автора работы, ключом к этому процессу является химическая обработка строительных блоков наночастиц. Металлические наночастицы 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, позволив кластерам слиться вместе с небольшим давлением.
Исследования показали, что металлические монеты, изготовленные с помощью этой техники, были значительно тверже обычного металла. 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 команды, оптические свойства золотых монет были захватывающими, поскольку при прессовании наночастиц в массивный металл произошло резкое изменение цвета.
Теоретически, говорят авторы, эту технику можно использовать для изготовления любого металла. Фактически, исследвоатели показали, что они могут создавать экзотическую форму металла, известную как металлическое стекло. Металлические стекла аморфны, то есть в них отсутствует регулярно повторяющаяся кристаллическая структура обычных 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.
Авторы работы надеются, 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.