我们如何才能设计出更坚固、更轻的材料?那么，用于喷气发动机和航天器等极端条件的新材料又如何呢?利哈伊大学PCRossin工程与应用科学学院材料科学与工程副教授FadiAbdeljawad表示，答案可能隐藏在晶体中原子聚集的无限微小区域或边界中。

阿卜杜勒贾瓦德与美国能源部综合纳米技术中心(CINT)的合作者一起，揭示了这些微小的边界如何对纳米材料的特性产生如此巨大的影响。

“原子聚集在一起形成纳米晶体，纳米晶体的宽度约为人类头发的万分之一，”Abdeljawad解释道。“想象一下这些晶体像拼图碎片一样聚在一起，或者像厨房地板上的瓷砖一样。数十亿个纳米晶体堆叠在一起，形成大多数工程材料。”

据研究人员称，晶体相接的区域在决定材料的行为方面起着至关重要的作用。最近，该团队的研究成果发表在《纳米快报》上。

文章“三结偏析主导纳米晶合金的稳定性”探讨了纳米材料中的微小特征(称为三结)如何在维持这些材料在高温下的稳定性方面发挥关键作用。

纳米晶体材料具有极其精细的结构，由许多微小晶体组成。这种微小的晶体尺寸可以使材料更坚固。然而，随着时间的推移，保持这些晶体的尺寸小而稳定是一项挑战，因为它们往往会长大，从而削弱材料。

这项研究的研究人员发现，维持这些材料在高温下的稳定性的关键在于三重连接，即三个纳米晶体相接的角。想象一下三个拼图碎片的角拼接在一起。

科学家们发现，当某些原子被添加到合金中时，它们会倾向于占据这些三重连接点的位置。这种“化学偏析”或原子在三重连接点处的聚集有助于阻止晶粒生长，从而防止材料随着时间的推移而失去强度。

这项专门的研究表明，精心放置在铂纳米材料三重结处的金原子可以使该材料在高温条件下保持稳定。

“通过了解这一过程，”阿卜杜勒贾瓦德说，“科学家可以设计出更好的纳米晶合金。他们可以选择特定的元素进入三重连接并稳定材料。这对于高温下的强度和耐用性至关重要的应用尤其重要，例如航空航天和能源行业。”

发挥团队合作的力量

利哈伊大学计算材料科学家Abdeljawad进行了大规模计算研究，预测了这些结果。为了验证这些模型，计算团队与综合纳米技术中心(CINT)合作。CINT为纳米级研究提供了先进的工具和专业知识，使材料科学、纳米制造和纳米光子学领域的前沿研究成为可能，从而推动科学和技术进步。

“这是协作科学的一个杰出范例，”CINT高级科学家、本研究合著者布拉德·博伊斯博士说。“由于能够模拟构成这些材料的原子的复杂排列，我们关于如何通过定制纳米级特征来设计新材料的想法正在日趋成熟。”