Only Perception: 愈小愈強 -- 現在科學家知道為何如此

2008-01-13

愈小愈強 -- 現在科學家知道為何如此

Smaller is stronger -- now scientists know why
http://www.physorg.com/news118512123.html

January 02, 2008

當金屬製成的結構變小 -- 當其尺寸達到微米尺度（百萬分之一公尺）或更小時 -- 它們會變得更強。科學家在 50 年前測量直徑只有幾微米，長度只有幾毫米（公釐）的錫「鬚狀物」時發現這種現象。許多理論被提出來解釋為何愈小會愈強，不過直到最近才有可能記錄細微結構在壓力下倒底會發生什麼事。

Andrew Minor，能源部 LBNL 材料科學部門，與來自於 Hysitron Incorporated 與 General Motors Research and Development Center 的同僚，利用 NCEM 的 In Situ Microscope（即時顯微鏡）記錄當直徑在 150 - 400 奈米間的鎳柱在鑽石製成的平面衝頭壓縮之下會發生什麼事。由於配備了穿透式電子顯微鏡，故樣品在電子束的觀察下，能被壓迫、測量與側錄。

"控制金屬物體變形的東西是，缺陷，稱為錯位（差排，dislocations）沿著其結晶結構中平面移動的方式，" Minor 說。"錯位滑動是種塑性變形（plastic deformation）。例如，曲折一根迴紋針會導致每平方公分有上兆個錯位產生，當它們撞到另一個，並沿著眾多滑動平面滑行時，使其糾纏並加疊（multiply）。"

一般來說，機械性變形有增加材料中錯位數量的傾向。不過對小規模結構（具有很大比率的表面積與體積）來說，過程會十分不同。來自於電子顯微鏡的側錄影像幫助研究者藉由觀察變形時細微構造的改變（包括一種前所未見的過程，研究者封為「機械性鍛鍊 (mechanical annealing，在大型材料中，鍛鍊是種減少缺陷密度的方法，通常利用加熱來完成)」）以了解，為何奈米尺度的鎳柱會如此強健。

Minor 說，"在測試之前，我們頭一個觀察到的東西是，奈米鎳柱滿是錯位。但是當我們壓縮鎳柱時，所有的錯位都被趕出材料 -- 照字面上來說，減少了錯位密度達 15 個巨大的數量級，並產生一個完美的結晶體。我們稱此現象為「機械性鍛鍊」。"

Minor 等人所測試的鎳柱使用機器，以聚焦離子束（FIB）從純鎳中製成，一種用在小規模機械性壓縮測試的新技術，首度在 2004 年由 U.S. Air Force Research Laboratory 的 Michael Uchic 等人所描述。FIB 技術讓它能創造出比 1950 年代的金屬「觸鬚」還要更微小的結構，那種觸鬚以生長中的結晶體製成。

研究者在機械製成的柱子中所觀察到的某些錯位，相對來說較淺，而且是由離子束本身所造成的。其他則透過結晶體，以及據推測早已存在之缺陷延伸出來。在壓迫之下，機械性鍛鍊導致這兩種缺陷突然消失。

"本質上，這些錯位全都從結晶體表面逃離，而且無法同較大結晶中那樣，你不能保存這些缺陷，" Minor 說。"所產生的是種稱為「錯位飢餓（dislocation starvation）」的過程，最近由史丹佛的 William D. Nix 等人所提議，那很快就成為為何較小結構會比較強的領導性理論。"

Minor 解釋，"構想是這樣，如果錯位在它們能相互作用並加疊之前逃離，就不會有足夠的活化錯位出現，讓變形所利用。此結構只能在新的錯位被創造後變形。" 這就是他們在 In Situ Microscope 所觀測到的確切過程，強烈證明「錯位飢餓」是一個正確的解釋。

如果沒有缺陷的奈米鎳柱繼續被壓縮時會發生什麼事？當新的錯位「晶核（nucleate）」出現在材料中時，必定會發生某件事。當現存的錯位因機械性鍛造而消失在柱中時，新錯來源的晶核在日益增加的更高壓力下發生。

在柱狀結構中，塑性變形會採取突然變成平坦、凸起、扭轉或剪裂柱子的形式，此時新錯位透過前述方式暴增。或著柱子會變硬，經由機械性鍛鍊變得更強，將下方插入基質中 -- 即便柱子與基質是由同樣一塊連續的金屬。這兩種過程都在 In Situ Microscope 的戲劇性側錄實驗中被捕捉到。

NCEM 研究者利用 FIB 機器所產生鎳柱是一頭逐漸變細，而且研究者提到，這樣的幾何學影響塑性變形在哪以及如何發生，一般來說當直徑愈小，會變得愈大，解放柱子的頂端。

在較大的柱中，這些直徑達到 300 奈米，機械性鍛鍊並不完全，而且在壓縮之後依然可見某些錯位。然而甚至些鎳柱展現出增大的強度，而日益加強的壓力也為持續變形所需 -- 強調了這一點，即移動式缺陷的創造決定了這些小體積的強度。

"鎳柱測試幾何學之美在於我們能直接定義壓力。接著我們能將所測量的壓力與不連續的可塑性事件記錄即時關連在一起，並從我們的實驗中更清楚的闡釋定量資料，" Minor 說。"爭論是什麼決定小結構的強度，會演變成雞與蛋的問題 -- 某樣東西會變強是因為你需要更高壓力移除已經在那裡的錯位 -- 或著某樣東西會變強是因為你需要高壓集結成（nucleate）一個新的錯位。在此例中，看來來源成核（source nucleation）-- 是「蛋」 -- 是決定性因素。"

※ 相關報導：

＊ Mechanical annealing and source-limited deformation in submicrometre-diameter Ni crystals http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/abs/nmat2085.html

Z. W. Shan, Raja K. Mishra, S. A. Syed Asif, Oden L. Warren &
Andrew M. Minor
Nature Materials Published online: 23 December 2007
doi:10.1038/nmat2085