Золотой лист канадзука — традиционный японский материал, известный своей удивительной тонкостью — всего 100 нанометров, что примерно в 1000 раз меньше диаметра человеческого волоса — и блестящим сиянием.
Этот ультратонкий лист изготавливается с помощью техники энцукэ — ручного процесса упаковки и ковки при комнатной температуре. Канадзука широко используется для украшения храмов, святилищ, ремесленных изделий и исторических объектов.
Хотя мастерство канадзукских ремесленников получило мировое признание, включая включение в список нематериального культурного наследия ЮНЕСКО в 2020 году, научная причина его уникальной тонкости оставалась неясной.
Теперь исследователи из Японского передового института науки и технологий (JAIST) под руководством профессора Ёсифуми Осимы в сотрудничестве со студентом докторантуры Юаньчжэ Сюй, старшим преподавателем Кохэй Асо, профессором Хидеюки Мурата из JAIST и специально назначенным профессором Сатоши Итикава из Университета Осаки раскрыли процессы деформации, которые придают канадзука его особые свойства.
Используя методы электронной дифракции обратнорассеянными электронами (EBSD) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM), исследование, опубликованное в npj Heritage Science, показало, что во время интенсивного процесса ковки кристаллы золота претерпевают необычные изменения. Вместо перекристаллизации материал использует неоктаэдрические системы скольжения, в частности систему скольжения {110}–<110>, которые обычно неактивны в золоте.
Такое поведение кристаллов направляет напряжение ковки в направлении [001], создавая характерную текстуру куба, которая обеспечивает листу блеск и долговечность.
«Понимание того, как ультратонкие плёнки, такие как золотой лист канадзука, могут быть изготовлены методом упаковки и ковки при комнатной температуре с сохранением текстуры {001}, имеет как научное, так и практическое значение», — пояснил профессор Осима.
В исследовании сравнивались два типа золотого листа канадзука. Фольга Zumi имеет толщину около 1 микрометра, а более изысканный золотой лист канадзука № 4 — всего 0,1 микрометра в толщину. Эти образцы представляют разные стадии традиционного процесса ковки энцукэ. Чтобы выявить структурные изменения, происходящие во время изготовления, исследователи использовали методы визуализации, включая EBSD и TEM.
Результаты показали явные различия между двумя материалами. В фольге Zumi кристаллическая текстура была смешанной, с множеством ориентаций и высокой плотностью дислокаций — крошечных структурных неровностей в кристаллической решётке. Напротив, золотой лист № 4 имел хорошо упорядоченную структуру с доминирующей текстурой куба {001} на больших участках.
Эта текстура развилась, даже несмотря на то, что ковка происходила при комнатной температуре и не сопровождалась обычным процессом перекристаллизации, который обычно помогает с выравниванием кристаллов. Изображения, полученные с помощью TEM, предоставили дополнительные сведения, предлагая прямые доказательства наличия полос скольжения — узких областей, где множество дислокаций выстраиваются вместе.
Исследование подтвердило активацию системы скольжения {110}–<110>, механизма деформации, редко встречающегося в золоте. Это было удивительно, поскольку такие механизмы обычно активируются только при высоких температурах или во время таких процессов, как прокатка, при которых напряжения распределяются иначе. Тот факт, что традиционные ремесленники достигают такого эффекта с помощью ручной ковки при комнатной температуре, подчёркивает точность техники энцукэ.
Эти открытия важны не только с точки зрения культурного значения золотого листа канадзука. Объясняя, как развивается уникальная яркость и долговечность листа, исследование предлагает научную основу для устойчивого сохранения традиционных ремёсел.
Ремесленники, продолжающие многовековую традицию изготовления золотого листа, теперь могут работать с лучшим пониманием физических принципов своего ремесла. Эти знания помогают гарантировать, что культурные сокровища, включая храмы, святилища и исторические произведения искусства, украшенные золотым листом канадзука, могут быть сохранены и восстановлены с уверенностью в характеристиках материала.
Исследование также связывает традиционное ремесло с современной наукой и технологиями. Обнаруженные механизмы деформации могут вдохновить на разработку ультратонких металлических плёнок со специальными свойствами. Эти плёнки могут найти применение в электронике, датчиках, декоративных покрытиях и нанотехнологиях, где точный контроль ориентации кристаллов имеет решающее значение для производительности и стабильности.
В будущем эти идеи могут лечь в основу разработки высокопроизводительных наноматериалов, сочетающих экстремальную тонкость со специальными оптическими, механическими и электронными свойствами. Это может привести к инновациям в гибких устройствах, устойчивых декоративных материалах и потребительской электронике.
Как отмечает профессор Осима: «Наше исследование позволяет разрабатывать высокопроизводительные наноматериалы с уникальными оптическими, механическими и электронными свойствами, стимулируя инновации в потребительской электронике, гибких устройствах и устойчивых декоративных материалах, а также способствуя междисциплинарным прорывам, вдохновлённым традиционным ремеслом».
Эта работа показывает, как традиционные техники изготовления золотого листа канадзука могут вдохновить современное материаловедение, обеспечивая сохранение их яркости и влияния на будущие поколения.
Предоставлено
Японским передовым институтом науки и технологий