材料间纳米薄层可显著降低界面能

2011-5-30 08:51 来源: 科技日报
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  据美国物理学家组织网近日报道,以色列理工学院的研究人员日前发现,材料间的纳米薄层具有一种介于固态和液态之间的独特性质,可显著降低两种不同材料之间的界面能,从而使它们更稳固地结合在一起。

  研究人员称,在材料间发现地这种纳米薄层非传统的物质状态,因为它既不是液体也不是固态,而是介于两者之间,这种特性提升了不同材料界面间的粘度和稳定性,该研究为描述物质界面基本热力学特性的吉布斯(美国物理化学家、化学热力学奠基人)理论又增添了新的内容。

  以色列理工学院材料工程系主任韦恩·卡普兰教授说,直到现在为止,还没有人能理解为什么会存在这样一个薄层,以及为什么它们能获得一个暂时的平衡状态。虽然目前人们已经知道在陶瓷晶体和冰的界面上存在这种薄层,但关于其存在的原因及其性质仍在讨论当中。

  新的实验中,该研究小组使用新型的Titand电子显微镜聚焦离子束(FIB)作为研究工具。研究人员首先在蓝宝石表面镀上一层0.6微米厚的金,再将样品加热到两种物质达到平衡状态。而后将硅和钙添加到其中进行加热,当样品达到平衡状态后,钙和硅移动到金属金和蓝宝石中间的界面,并形成了一层1.2纳米厚的薄层。借助电子显微镜,研究人员成功观察到了在金属金和蓝宝石间存在的这种薄层,并通过实验证实了其具有降低界面能、提高稳定性的作用。

  一系列实验证实,在金属和陶瓷材料间的这种薄层会降低界面能,使这两种此前很难结合在一起的材料稳固地连接在一起,并在一定程度上提高了这种复合材料的强度和韧性。

  卡普兰教授说,该技术在现实中的应用包括生产金属产品的切削工具,复合材料刹车片,以及具有陶瓷涂层的喷气式飞机的发动机叶片。此外,它还有助于降低陶瓷材料在高温下的力学性能,影响晶体在多晶材料中的形态,有助于提高现代微型电子器件的稳定性。