扩大材料变形的纳米级研究的前沿工具

利哈伊大学各学院和部门的研究人员将很快能够使用一个新的、最先进的等离子体聚焦离子束系统(或称FIB)进行实验，同时能够在零下130至1000摄氏度的各种温度下进行现场机械测试。

国家科学基金会最近授予利哈伊大学120多万美元，用于购买新仪器。该奖项是该基金会主要研究仪器项目(MRI)的一部分，该项目支持开发或购置能推动科学和工程的设备。除了国家科学基金会的奖励外，利哈伊大学还提供了很大一部分费用分担，使采购成为可能。这种拨款的目标之一是对广泛领域的研究产生重大影响。

"我们有25名教师参与了这项提案，他们都提交了需要FIB系统的项目，其中许多人与利哈伊大学的跨学科研究所有关，"材料科学和工程教授、提案的主要贡献者Masashi Watanabe说。"他们代表了一系列的学科，包括材料科学、机械工程、化学工程、工业工程、生物工程、物理学、化学和生物学。对这样的机器有如此高的需求。"

"FIB系统是一种微/纳米加工工具，能够以快速有效的方式对样品进行精密加工，类似于木工，但在微米甚至纳米级别，"首席研究员、新泽西锌业公司材料科学和工程教授Helen Chan说。"而可以进行 现场机械测试的夹具使我们能够缩进或拉或推材料，这样我们就可以同时观察材料的断裂和变形情况。更令人兴奋的是，我们可以研究温度对变形过程的影响"。

一个可能的应用是研究可能无法以散装形式获得的微结构元素。例如，假设有一个特定的相，在另一种材料的基体中以细小的、微米级的分散体出现。散装测试只能测量分散体和基体的聚集行为。然而，使用FIB系统，就有可能在某个位置加工出一个微机械样品，这样就可以只测试单个分散体中的材料体积。

Chan说，EBSD(电子后向散射衍射)能力令人振奋，因为当某些材料受到压力时，可能会发生相位或取向的变化，而这可以通过EBSD检测出来。"她说："这些变化往往是高度本地化的，因此在大宗样品中很难观察到。"通过EBSD分析的原位机械测试，我们可以观察到这些变化作为应力的函数，并与性能的变化相关联。"

"生物材料和高分子材料是所谓的软物质，由于材料的柔软性质，观察材料的内部是相当具有挑战性的，"Watanabe说。"制造或切割出这种软材料的最有效方法之一是冷却到液氮温度。将要安装的FIB系统配备了一个低温台和低温操纵器，可以在微米尺度上对软质材料进行切片。使用低温下的FIB系统，可以申请用离子对软质样品进行横切，以便在FIB内进行内部观察，或者准备一个电子透明的薄样品，以便在透射电子显微镜(TEM)中进一步进行纳米尺度的详细观察。"

该大学目前有一台聚焦离子束铣床，用于锗离子。Chan说，新的FIB将在氙离子上工作，使其速度提高10倍，这允许更多的微机械测试样品的制造。现在，生产足够的此类样品以进行有统计意义的测试是研究人员的一个主要限制。

新的仪器还包括一个用于采集EBSD图案的超高速电子相机。这一点特别新颖。

"它将使我们能够看到方向，也就是一个特定样品的晶体结构，"Watanabe说。"我们的目标是每秒钟2000到3000个图案，这是令人难以置信的速度。因此在变形过程中，我们将能够看到这些正在发生的晶体结构变化。这是非常新的。没有人做到这一点。"

Chan说，这些信息将使研究人员了解结构中的裂缝是如何开始的。微观结构中可能存在 "薄弱环节"，可以通过改进加工来缓解。"她说："我们希望在结构中建立 "裂纹阻止器"，使裂纹更难传播。"最终的结果将是表现出更高的韧性和更长的寿命的结构。

该团队还包括机械工程和力学教师Natasha Vermaak和John Coulter(Rossin学院负责研究的高级副院长)以及Loewy材料成型和加工教授Wojciech Misiolek(材料科学和工程系主任)，预计FIB系统将在6月前启动并运行。它将位于该大学新的健康、科学和技术(HST)大楼内。该设施还容纳了利哈伊大学世界一流的表面特征和X射线衍射和散射工具，以及尖端的虚拟和增强现实能力。