News – GB – New technique builds super hard metals from nanoparticles

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23 January 2021

par Kevin Stacey, Université Brown

Les métallurgistes ont toutes sortes de façons de rendre un morceau de métal plus dur Ils peuvent le plier, le tordre, le faire passer entre deux rouleaux ou le marteler avec un marteau Ces méthodes fonctionnent en brisant la structure des grains du métal – les domaines cristallins microscopiques qui forment un morceau de métal en vrac Des grains plus petits donnent des métaux plus durs

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Today, un groupe de chercheurs de l’Université Brown a trouvé un moyen de personnaliser les structures de grains métalliques de bas en haut Dans un article publié dans la revue Chem, researchers show method to break individual metal nanoparticles together to form solid macro-scale pieces of solid metal. Mechanical testing of metals made using the technique has shown that they are up to four times harder than natural metal structures.

“Hammering and other hardening methods are all top-down ways of changing grain structure, and it is very difficult to control the grain size you end up with”, said Ou Chen, Assistant professor of chemistry at Brown and corresponding author of the new research “What we have done, c’est créer des blocs de construction de nanoparticules qui fusionnent lorsque vous les serrez De cette façon, nous pouvons avoir des tailles de grain uniformes qui peuvent être ajustées avec précision pour des propriétés améliorées”

Pour cette étude, les chercheurs ont fabriqué des «rooms» à l’échelle du centimètre en utilisant des nanoparticules d’or, d’argent, de palladium et d’autres métaux Des articles de cette taille pourraient être utiles pour fabriquer des matériaux de revêtement haute performance, des électrodes ou des générateurs thermoélectriques (dispositifs qui convertissent les flux de chaleur en électricité) But the researchers believe the process could easily be extended to make very hard metal coatings or larger industrial components..

The key to the process, this Chen, is the chemical treatment given to the building blocks of nanoparticles Metal nanoparticles are generally coated with organic molecules called ligands, that typically prevent metal-to-metal bonds from forming between particles Chen and his team found a way to chemically remove these ligands, allowing the clusters to merge with just a little pressure

Metal parts made with this technique were significantly harder than standard metal, selon la recherche Les pièces d’or, for example, étaient deux à quatre fois plus dures que la normale D’autres propriétés comme la conduction électrique et la réflectance de la lumière étaient pratiquement identiques aux métaux standard, ont découvert les chercheurs.

Les propriétés optiques des pièces d’or étaient fascinantes, this Chen, car il y avait un changement de couleur dramatique lorsque les nanoparticules étaient compressées en métal en vrac

“En raison de ce qu’on appelle l’effet plasmonique, les nanoparticules d’or sont en fait de couleur noir violacé”, a déclaré Chen “Mais lorsque nous appliquons une pression, nous voyons ces grappes violacées se transformer soudainement en une couleur or brillant C’est l’une des façons dont nous savions que nous avions effectivement formé de l’or en vrac”

In theory, this Chen, la technique pourrait être utilisée pour fabriquer tout type de métal En fait, Chen et son équipe ont montré qu’ils pouvaient fabriquer une forme exotique de métal connue sous le nom de verre métallique. Les verres métalliques sont amorphes, ce qui signifie qu’ils n’ont pas la structure cristalline qui se répète régulièrement des métaux normaux Cela donne lieu à des propriétés remarquables Les verres métalliques sont plus faciles à mouler que les métaux traditionnels, peuvent être beaucoup plus solides et plus résistants aux fissures et présentent une supraconductivité à basses températures

“Fabriquer du verre métallique à partir d’un seul composant est notoirement difficile à faire, donc la plupart des verres métalliques sont des alliages”, a déclaré Chen «Mais nous avons pu commencer avec des nanoparticules de palladium amorphes et utiliser notre technique pour fabriquer un verre métallique au palladium”

Chen dit qu’il espère que la technique pourra un jour être largement utilisée pour les produits commerciaux Le traitement chimique utilisé sur les nanoclusters est assez simple, et les pressions utilisées pour les presser ensemble sont bien dans la gamme des équipements industriels standard. Chen a breveté la technique et espère continuer à l’étudier

“Nous pensons qu’il y a un grand potentiel ici, à la fois pour l’industrie et pour la communauté de la recherche scientifique”, a déclaré Chen

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Nanoparticule, Chemistry