ロードアイランド州プロビデンス [ブラウン大学] — 冶金学者は、金属の塊をより硬くするあらゆる方法を持っています。曲げたり、ひねったり、2つのローラーの間に通したり、ハンマーで叩いたりすることができます。これらの方法は、金属の粒子構造、つまり金属のバルク片を形成する微細な結晶ドメインを破壊することによって機能します。粒子が小さいほど、より硬い金属になります。
今回、ブラウン大学の研究者グループは、金属粒子の構造をボトムアップでカスタマイズする方法を発見しました。雑誌に掲載された論文で CHEM、研究者らは、個々の金属ナノクラスターを粉砕して固体金属のマクロスケールの塊を形成する方法を示しています。この技術を使用して製造された金属の機械的テストでは、それらが自然に存在する金属構造よりも最大 4 倍硬いことが判明しました。
「ハンマーやその他の硬化方法はすべて、粒子構造を変えるトップダウンの方法であり、最終的に得られる粒子サイズを制御するのは非常に困難です」と、ブラウン大学化学助教授であり、新しい研究の責任著者であるオー・チェン氏は述べた。 。 「私たちがやったのは、絞ると融合するナノ粒子の構成要素を作成することです。このようにして、均一な粒子サイズを実現し、特性を高めるために正確に調整することができます。」
この研究のために、研究者らは金、銀、パラジウム、その他の金属のナノ粒子を使用してセンチメートルスケールの「コイン」を作成した。このサイズのアイテムは、高性能コーティング材料、電極、または熱電発電機 (熱流束を電気に変換する装置) の製造に役立つ可能性があります。しかし研究者らは、このプロセスは超硬金属コーティングやより大型の工業用部品を製造するために簡単にスケールアップできると考えている。
このプロセスの鍵は、ナノ粒子の構成要素に与えられる化学処理である、とチェン氏は言う。金属ナノ粒子は通常、リガンドと呼ばれる有機分子で覆われており、通常、粒子間の金属間結合の形成が妨げられます。チェン氏と彼のチームは、これらのリガンドを化学的に剥ぎ取り、わずかな圧力をかけるだけでクラスターを融合させる方法を発見した。
この技術で作られた金属コインは、標準的な金属よりもかなり硬いことが研究で示された。たとえば、金貨は通常より 2 ～ 4 倍硬かった。研究者らは、電気伝導性や光反射率などの他の特性は、標準的な金属と実質的に同一であることを発見した。
ナノ粒子がバルク金属に圧縮されると劇的な色の変化があったため、金貨の光学的特性は魅力的だったとチェン氏は言う。
「プラズモニック効果として知られる現象のため、金ナノ粒子は実際には紫がかった黒色をしています」とチェン氏は言う。 「しかし、圧力をかけると、これらの紫がかった塊が突然明るい金色に変わるのがわかります。これは、私たちが実際にバルク金を形成したことを知る方法の 1 つです。」
理論上、この技術はあらゆる種類の金属の製造に使用できるとチェン氏は言う。実際、チェンと彼のチームは、金属ガラスとして知られるエキゾチックな形の金属を作成できることを示しました。金属ガラスはアモルファスです。つまり、通常の金属のような規則的に繰り返される結晶構造がありません。それが驚くべき特性を生み出します。金属ガラスは従来の金属よりも成形が容易で、強度が高く、亀裂が入りにくく、低温で超電導性を示します。
「単一の部品から金属ガラスを作るのは難しいことで知られており、ほとんどの金属ガラスは合金です」とチェン氏は言う。 「しかし、私たちはアモルファスパラジウムナノ粒子から始めて、私たちの技術を使ってパラジウム金属ガラスを作ることができました。」
チェン氏は、この技術がいつか商業製品に広く使用されるようになるかもしれないと期待していると語る。ナノクラスターに使用される化学処理は非常に簡単で、ナノクラスターを圧縮するために使用される圧力は標準的な産業装置の範囲内に十分に収まります。チェン氏はこの技術の特許を取得しており、今後も研究を続けたいと考えている。
「産業界にとっても科学研究コミュニティにとっても、ここには多くの可能性があると私たちは考えています」とチェン氏は語った。
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この論文のChen氏の共著者は、長岡康隆氏、須田正之氏、Insun Yuon氏、Na Chen氏、Hanjun Yang氏、Yuzi Liu氏、Brendan A. Anzures氏、Stephen W. Parman氏、Zhongwu Wang氏、Michael Grünwald氏、M. 山本博氏でした。この研究は、米国科学財団 (CMMI-1934314、DMR-1332208、DMR-1848499) および米国エネルギー省 (DE-AC02-06CH11357) の支援を受けました。
出典: https://bioengineer.org/new-technique-builds-super-hard-metals-from-nanoparticles/
