Алмазная игла меняет структуру молибдена без нагрева
В опыте новые кристаллические зёрна появлялись от точного нажатия и исчезали при продолжении давления.
Всё началось не с поиска способа отказаться от печи. Учёные Техниона в Хайфе и Рочестерского университета хотели проверить, можно ли давлением перевести молибден в другую кристаллическую фазу. Вместо этого обнаружили необычную реакцию металла на почти незаметное вдавливание. Она возникала на короткий миг и пропадала, если эксперимент продолжали.
На вид металлическая деталь однородна. Под микроскопом её внутреннее устройство оказывается сложнее: атомы образуют кристаллические области, или зёрна, с разной ориентацией. От их размеров и границ зависят механические свойства материала. Для обычной перекристаллизации молибден приходится нагревать примерно до 1000 градусов, хотя сам металл плавится при температуре выше 2600.
В лаборатории применили наноиндентор — прибор с чрезвычайно тонким алмазным остриём. Он постепенно давит на поверхность монокристалла, фиксируя силу и глубину проникновения. В какой-то момент наконечник внезапно уходит в металл чуть дальше. Этот скачок, известный специалистам как pop-in, и оказался решающим.
Если остановить давление сразу после скачка, вокруг крошечного отпечатка появляются новые зёрна с иной ориентацией. Если вдавливать алмаз дальше, они исчезают. Такой короткоживущий эффект прежде можно было просто не заметить: обычный опыт не заканчивается на первом скачке.
Опыты дополнили атомным моделированием. Оно показало два возможных пути образования новых границ между зёрнами: перестройку участков кристалла через двойникование и накопление дефектов кристаллической решётки — дислокаций. Речь идёт не о превращении молибдена в другое вещество и не о плавлении. Меняется микроструктура небольшой области.
«Нужно лишь знать, куда надавить, с какой силой и когда остановиться», — объяснила соавтор исследования Афнан Мостафа. Работа пяти учёных опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Первоначальное предположение о переходе металла в новую фазу не подтвердилось, но неожиданное образование зёрен оказалось отдельным результатом.
Практический интерес связан с возможностью менять свойства металла локально, не подвергая всю деталь высокотемпературной обработке. Авторы рассматривают это как потенциальный способ работы с дефектами. Пока эксперименты проводились на образцах в лаборатории: промышленный ремонт молибденовых изделий таким методом ещё не продемонстрирован.
Ещё одна область — микроэлектроника. В будущих микросхемах межсоединения становятся настолько тонкими, что сопротивление медных проводников растёт. Молибден рассматривают как альтернативу, однако при комнатной температуре он бывает хрупким. Управление структурой может помочь исследовать этот недостаток, но само по себе открытие не означает, что медь уже можно заменить.
Главная находка здесь — не сила алмазного наконечника, а точность остановки. Один и тот же нажим сначала создаёт новую структуру, а затем стирает её. Именно этот короткий момент учёные научились сохранять для изучения.
Изображение: редакция ИЗНАНКИ.
