Если обычно уменьшение размеров металлического зерна ведёт к росту компактности его кристаллической решётки, то на размерах ниже 30 нм последняя вновь начинает «расползаться».

Если вы измельчаете зёрна кофе до разноразмерных частиц, то легко заметите, что вкус конечного напитка будет сильно меняться. Эрик Ян Миттемайер (Eric Jan Mittemeijer), глава Института интеллектуальных систем Общества имени Макса Планка (Германия), и его коллеги не мелют кофе, а исследуют изменения свойств металла на наномасштабах.

Общим местом стало то, что по мере измельчения металлического зерна свойства конечного металлоизделия резко меняются. Плохо лишь то, что эти изменения не вполне предсказуемы. А значит, современное материаловедение пока не слишком понимает, как размер зерна влияет на свойства важнейшего класса конструкционных материалов. Кажется, немцам удалось слегка сдвинуть с места ситуацию в этой области.

Рис. 1. Наноматериалы сжимаются (слева) и расширяются (справа). При этом расстояние между атомами в зерне сначала уменьшается, а ниже критических 30 нм вновь начинает расти. (Здесь и ниже иллюстрации Eric Mittemeijer, Sairam Meka.)

Представляется очевидным то, что чем меньше нанозёрна металла, тем плотнее в нём расположены атомы, а кристаллическая решетка оказывается всё более «плотно заселённой». Но недавняя работа немецких исследователей указывает на то, что такое положение дел наблюдается лишь до той поры, пока нанозёрна не станут меньше 30 нм в диаметре.

Оказывается, что

при зерне меньшего размера поведение атомов в кристаллической решётке изменяется на прямо противоположное, и последняя вновь становится менее «плотной».

Дело здесь в том, что в зёрнах больших размеров, составляющих окружающие нас металлоизделия, атомы окружены такими же атомами, и свойства зерна определяются именно сравнительно крупной кристаллической решёткой. В нанозёрнах же отношение количества атомов к площади поверхности зерна резко падает, и свойства материала диктуются именно атомами, а не решёткой в целом. При этом, естественно, меняются проводимость (электроны взаимодействуют с отдельными атомами), магнитные свойства, твёрдость и даже цвет.

Наблюдая за поведением зёрен разных размеров на примере никеля, железа, меди и вольфрама, материаловеды неожиданно столкнулись с тем, что их кристаллические решётки просто не могут уменьшиться в размерах ниже десятков нанометров.

Рис. 2.

Как полагают исследователи,

механизм, не позволяющий сильнее сократить размеры решётки, относительно прост. Внутри зерна у атома много связей, отчего его энергия меньше, чем у атома на поверхности зерна, связанного с меньшим количеством соседей. Если же атом находится на границе двух кристаллических решёток, то он стремится занять промежуточное положение между этими структурами, приобретая в том числе связи вне своей изначальной решётки. При этом он смещается относительно своего начального положения и занимает больше места, чем обычно.

Как только процент атомов, находящихся на границе зерна, превышает критический, кристаллическая решётка начинает «расползаться» по всем своим границам именно из-за этого механизма.

Помимо большого теоретического значения для материаловедения, исследование означает, что

стремление к созданию способов производства металлов с зерном меньше 30 нм, по сути, не слишком осмысленно: полученные таким образом материалы могут быть ближе к обычным, ненаноструктурированным металлам, нежели те образцы, в которых диаметр зерна не превышает 30 нм.