15.01.2014

Leobener Materialphysiker in "Nature Communications"

In-situ-Experimente zur Verformung von metallischen Nanodrähten bieten Einblicke in neue Verformungsmechanismen: Ein internationales Forschungsteam unter Mitwirkung von Assoz.-Prof. Dr. Daniel Kiener vom Department Materialphysik hat zyklische Belastungen an Nanodrähten aus Gold durchgeführt und beobachtet, dass bei der Belastung entstandene Zwillinge bei Lastumkehr wieder verschwinden, quasi „ent-zwillingen“. Die fundamentalen Abläufe konnten durch molekulardynamische Simulationen erklärt werden, und die gesammelten Erkenntnisse wurden jüngst in "Nature Communications" veröffentlicht.

Entzwilligung live beobachten: Zwillinge, welche als dunkle Bereiche im linken Bild während der Zugbelastung entstanden sind, verschwinden im rechten Bild während der Druckbelastung wieder.

Mikroskopische Objekte zeigen hinsichtlich ihrer Verformung einige unerwartete Eigenschaften. So erhöht beispielsweise eine Reduktion der Probenabmessungen die Festigkeit drastisch, und es kann zu neuen Verformungsmechanismen kommen. Eine Kenntnis der zu erwartenden Mechanismen ist aber von immanenter Bedeutung, da dies die Festigkeit und Duktilität von Nanomaterialien signifikant beeinflusst. Ein internationales Forschungsteam aus Korea, Deutschland und Österreich konnte unlängst zeigen, dass sich Nanodrähte aus Gold reversibel durch das Entstehen und Verschwinden von mechanischen Zwillingen unter Zug- bzw. Druckbelastung verformen können. 

Klassisch betrachtet man die Verzwilligung als eine gerichtete plastische Verformung, sprich sie passiert einmal und ist bleibend. In der aktuellen Arbeit führten die Autoren quantitative Verformungsexperimente an Nanodrähten in situ in einem Transmissionselektronenmikroskop durch. So konnte erstmals beobachtet werden, dass Zwillinge, welche bei der Zugbelastung entstanden waren, während der folgenden Druckbelastung durch einen als "Entzwilligung" bezeichneten Vorgang wieder schrumpften und verschwanden. Diese Entzwilligung stellt einen bisher unbekannten Verformungsmechanismus dar, welcher reversible plastische Verformung von bis zu 30 Prozent in einem pseudo-elastischen Verhalten durch das Wachsen und Schrumpfen von Nanozwillingen ermöglicht. Das kann für Anwendungen genutzt werden, wo neben hoher Festigkeit auch hohe Duktilität gefordert ist, beispielsweise um Schädigung von Nano-Objekten in integrierten Schaltkreisen zu minimieren oder zur mechanischen Energiespeicherung in nanoelektromechanischen Systemen.

"Dieser neue Verformungsmechanismus ist eine weitere Erkenntnis, welche wir unserem Verständnis der manchmal verwirrenden Welt der Nanomechanik hinzufügen können und welche nicht ohne finanzielle Unterstützung der Grundlagenforschung durch den Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF möglich gewesen wäre", betont Kiener, der seit Jahren erfolgreich mit Prof. Oh in diesem Gebiet zusammenarbeitet. Die vorliegende Arbeit wurde durch ein internationales bilaterales Forschungsprojekt zwischen dem koreanischen NRF (NRF-2012K2A1A9054818) und dem österreichischen FWF (I-1020) finanziell unterstützt.

Details zur Veröffentlichung: "Reversible cyclic deformation mechanism of Au nanowires by twinning-detwinning transition as evidenced from in-situ TEM" by Subin Lee, Jiseong Im, Youngdong Yoo, Erik Bitzek, Daniel Kiener, Gunther Richter, Bongsoo Kim and Sang Ho Oh, Nature Communications, 10.1038/ncomms4033

Weitere Informationen:
Assoz.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Daniel Kiener
Lehrstuhl für Materialphysik der Montanuniversität Leoben
E-Mail: daniel.kiener[at]unileoben.ac.at
Tel.: +43 3842 804 412