We report gas and water flow measurements through microfabricated membranes in which aligned carbon nanotubes with diameters of less than 2 nanometers serve as pores. The measured gas flow exceeds predictions of the Knudsen diffusion model by more than an order of magnitude. The measured water flow exceeds values calculated from continuum hydrodynamics models by more than three orders of magnitude and is comparable to flow rates extrapolated from molecular dynamics simulations. The gas and water permeabilities of these nanotube-based membranes are several orders of magnitude higher than those of commercial polycarbonate membranes, despite having pore sizes an order of magnitude smaller. These membranes enable fundamental studies of mass transport in confined environments, as well as more energy-efficient nanoscale filtration.

Many traditional approaches for strengthening steels typically come at the expense of useful ductility, a dilemma known as strength–ductility trade-off. New metallurgical processing might offer the possibility of overcoming this. Here we report that austenitic 316L stainless steels additively manufactured via a laser powder-bed-fusion technique exhibit a combination of yield strength and tensile ductility that surpasses that of conventional 316L steels. High strength is attributed to solidification-enabled cellular structures, low-angle grain boundaries, and dislocations formed during manufacturing, while high uniform elongation correlates to a steady and progressive work-hardening mechanism regulated by a hierarchically heterogeneous microstructure, with length scales spanning nearly six orders of magnitude. In addition, solute segregation along cellular walls and low-angle grain boundaries can enhance dislocation pinning and promote twinning. This work demonstrates the potential of additive manufacturing to create alloys with unique microstructures and high performance for structural applications. 3D-printed steels with hierarchically heterogeneous microstructures demonstrate high strength and ductility.

Bimetallic platinum-nickel (Pt-Ni) nanostructures represent an emerging class of electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells, but practical applications have been limited by catalytic activity and durability. We surface-doped Pt3Ni octahedra supported on carbon with transition metals, termed M-Pt3Ni/C, where M is vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, molybdenum (Mo), tungsten, or rhenium. The Mo-Pt3Ni/C showed the best ORR performance, with a specific activity of 10.3 mA/cm(2) and mass activity of 6.98 A/mg(Pt), which are 81- and 73-fold enhancements compared with the commercial Pt/C catalyst (0.127 mA/cm(2) and 0.096 A/mg(Pt)). Theoretical calculations suggest that Mo prefers subsurface positions near the particle edges in vacuum and surface vertex/edge sites in oxidizing conditions, where it enhances both the performance and the stability of the Pt3Ni catalyst.

We report transmission electron microscope observations that provide evidence of deformation twinning in plastically deformed nanocrystalline aluminum. The presence of these twins is directly related to the nanocrystalline structure, because they are not observed in coarse-grained pure aluminum. We propose a dislocation-based model to explain the preference for deformation twins and stacking faults in nanocrystalline materials. These results underscore a transition from deformation mechanisms controlled by normal slip to those controlled by partial dislocation activity when grain size decreases to tens of nanometers, and they have implications for interpreting the unusual mechanical behavior of nanocrystalline materials.

It is known that the room-temperature plastic deformation of bulk metallic glasses is compromised by strain softening and shear localization, resulting in near-zero tensile ductility. The incorporation of metallic glasses into engineering materials, therefore, is often accompanied by complete brittleness or an apparent loss of useful tensile ductility. Here we report the observation of an exceptional tensile ductility in crystalline copper/copper–zirconium glass nanolaminates. These nanocrystalline–amorphous nanolaminates exhibit a high flow stress of 1.09 ± 0.02 GPa, a nearly elastic-perfectly plastic behavior without necking, and a tensile elongation to failure of 13.8 ± 1.7%, which is six to eight times higher than that typically observed in conventional crystalline–crystalline nanolaminates (<2%) and most other nanocrystalline materials. Transmission electron microscopy and atomistic simulations demonstrate that shear banding instability no longer afflicts the 5- to 10-nm-thick nanolaminate glassy layers during tensile deformation, which also act as high-capacity sinks for dislocations, enabling absorption of free volume and free energy transported by the dislocations; the amorphous–crystal interfaces exhibit unique inelastic shear (slip) transfer characteristics, fundamentally different from those of grain boundaries. Nanoscale metallic glass layers therefore may offer great benefits in engineering the plasticity of crystalline materials and opening new avenues for improving their strength and ductility.

Hydrogen is a promising energy carrier and key agent for many industrial chemical processes1. One method for generating hydrogen sustainably is via the hydrogen evolution reaction (HER), in which electrochemical reduction of protons is mediated by an appropriate catalyst-traditionally, an expensive platinum-group metal. Scalable production requires catalyst alternatives that can lower materials or processing costs while retaining the highest possible activity. Strategies have included dilute alloying of Pt2 or employing less expensive transition metal alloys, compounds or heterostructures (e.g., NiMo, metal phosphides, pyrite sulfides, encapsulated metal nanoparticles)3-5. Recently, low-cost, layered transition-metal dichalcogenides (MX2)6 based on molybdenum and tungsten have attracted substantial interest as alternative HER catalysts7-11. These materials have high intrinsic per-site HER activity; however, a significant challenge is the limited density of active sites, which are concentrated at the layer edges.8,10,11. Here we use theory to unravel electronic factors underlying catalytic activity on MX2 surfaces, and leverage the understanding to report group-5 MX2 (H-TaS2 and H-NbS2) electrocatalysts whose performance instead derives from highly active basal-plane sites. Beyond excellent catalytic activity, they are found to exhibit an unusual ability to optimize their morphology for enhanced charge transfer and accessibility of active sites as the HER proceeds. This leads to long cycle life and practical advantages for scalable processing. The resulting performance is comparable to Pt and exceeds all reported MX2 candidates.

The theoretical maximum tensile strain--that is, elongation--of a single-walled carbon nanotube is almost 20%, but in practice only 6% is achieved. Here we show that, at high temperatures, individual single-walled carbon nanotubes can undergo superplastic deformation, becoming nearly 280% longer and 15 times narrower before breaking. This superplastic deformation is the result of the nucleation and motion of kinks in the structure, and could prove useful in helping to strengthen and toughen ceramics and other nanocomposites at high temperatures.

State-of-the-art metal 3D printers promise to revolutionize manufacturing, yet they have not reached optimal operational reliability. The challenge is to control complex laser-powder-melt pool interdependency (dependent upon each other) dynamics. We used high-fidelity simulations, coupled with synchrotron experiments, to capture fast multitransient dynamics at the meso-nanosecond scale and discovered new spatter-induced defect formation mechanisms that depend on the scan strategy and a competition between laser shadowing and expulsion. We derived criteria to stabilize the melt pool dynamics and minimize defects. This will help improve build reliability.