Впервые осуществлено рентгенографическое исследование образования дислокационных деформаций на примере нанокристаллов никеля в ячейке с алмазной наковальней. Его результаты послужат хорошим фундаментом для создания более надёжных материалов.

Под действием слишком сильного напряжения материалы меняют свою форму — подстраиваются. Вначале такие изменения носят характер эластичной деформации и являются полностью обратимыми при снятии напряжения.

В момент, когда величина напряжения начинает превосходить прочность материала, изменения становятся постоянными, в результате чего материал может полностью или частично разрушиться. В любом случае его форма меняется (происходит сплющивание).

Понимание процессов неэластичной деформации до сих пор не может похвастаться полнотой. Но всё становится ещё менее понятным, когда учёные переходят от объёмных материалов к их наноразмерным аналогам. Открытие исследователей из Института Карнеги (США), изучавших поведение нанокристаллов никеля в условиях высокого давления, должно помочь физикам и инженерам при создании более прочных, долгоживущих материалов.

Кроме того, авторы работы надеются, что пользу получат и геологи, занимающиеся сейсмическими и тектоническими процессами.

Рис. 1. Руководитель исследований, известный американский геолог Дэйв Мао (Ho-kwang «Dave» Mao) (фото Carnegie Institution for Science).

Полагают, что постоянные неэластичные деформации, происходящие в небольших металлических кристаллах, вызваны движением структурных дефектов кристаллической решётки, называемых дислокациями. Всё становится гораздо сложнее в случае деформаций нанокристаллических материалов, поскольку считается, что при уменьшении размера кристалла до определённой пороговой величины существование структурных деформаций попросту невозможно, а неэластичные деформации в таких кристаллах обусловлены смещением границ между зёрнами.

Если верить компьютерному анализу, пороговая величина равна размеру нанокристалла, то есть 10–30 нм.

Экспериментальная работа с нанокристаллами под давлением всегда лимитировалась техническими трудностями наблюдения за происходящими процессами. К счастью, новые возможности, предоставляемые современной реализацией метода рентгеновской дифракции, которая работает совместно с ячейкой с алмазной наковальней, позволяют проверить компьютерное моделирование практическими экспериментами.

Итак, детальные дифракционные исследования, результаты которых опубликованы в журнале Science, показали, что активность структурных дефектов, сопровождающих деформации, наблюдалась даже в случае никелевых кристаллов размером 3 нм при давлении 18,5 ГПа. Как и предполагалось (в случае гораздо более крупных кристаллов), характер движения этих дислокационных деформаций зависит одновременно от давления и размера частиц, но сам это размер может быть гораздо меньше того, что предсказывалось компьютерным моделированием и принималось на веру в течение долгого времени.

Полученные данные помогут лучше понять фундаментальные физические законы деформации материалов под давлением на микро- и наноскопическом уровнях.