Nikkels zijn alomtegenwoordig in het Amerikaanse leven, in zakken tuimelen, rollen onder autostoelen, en komt uit de achterkant van drogers om keer op keer te worden gebruikt voor talloze aankopen. Maar deze veerkrachtige en enigszins bescheiden ogende munten worden ook kostbaar om te produceren. Nikkel, de eigen naamgenoot van de munt, is een gewaardeerd ingrediënt geworden in veel moderne producten, de marktwaarde zo sterk opdrijven dat het maken van de munt van vijf cent soms wel zeven cent per stuk kost.

In samenwerking met de U.S. Mint, een onderzoeksteam van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft een alternatieve benadering geïdentificeerd die de materiaalkosten voor het nikkel met maar liefst 40 procent zou verminderen. Deze benadering zou een munt opleveren die net zo sterk en betrouwbaar is als het oude nikkel, maar ook net zo vertrouwd voor de Amerikaanse burger.

Het artikel waarin het werk wordt beschreven, is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Integratie van materialen en productie-innovatie .

Als bijkomend voordeel, de gegevens van dit onderzoek hebben ook resultaten opgeleverd die hightechbedrijven kunnen helpen die op zoek zijn naar nieuwe materialen voor gebruik in veerkrachtige elektronica zoals telefoons en laptops, en in een verscheidenheid van radicale nieuwe kleuren, opstarten.

Het vervaardigen van munten is een ingewikkeld en veeleisend proces. Munten mogen niet corroderen in de palm van een vochtige hand, bijvoorbeeld. De afbeeldingen die op hun gezicht zijn gestempeld, moeten veerkrachtig genoeg zijn om tientallen jaren van handel en af ​​en toe door de was te draaien. Hun metaalachtige glans moet altijd herkenbaar zijn, en van uniforme dikte en dichtheid.

Hoewel onzichtbaar voor de gemiddelde klant die een kauwgombal of frisdrank koopt, alle Amerikaanse munten moeten ook een vooraf bepaalde hoeveelheid elektrische geleidbaarheid bevatten om in automaten te werken, die een kleine meter gebruiken om de valutahandtekening van een munt te bepalen. Een parkeermeter of frisdrankautomaat telt je nikkel niet zonder deze belangrijke eigenschap.

In veel opzichten was de nikkelproductie-uitdaging een ideale match voor het NIST Materials Genome Initiative (MGI), dat in 2011 is gestart met het ambitieuze doel om de tijd die nodig is om een ​​nieuw materiaal op de markt te brengen met ten minste de helft te verminderen en tegelijkertijd de kosten laag te houden. Het MGI heeft de computer- en IT-tools gebouwd die nodig zijn voor de ontwikkeling van allerlei nieuwe materialen voor gebruik in een breed scala aan productietoepassingen.

"Het heroverwegen van het nikkel was een van de eerste keren dat we de nieuwe MGI-tools konden inzetten om een ​​materiaal voor een specifieke toepassing te ontwerpen, " zei NIST-wetenschapper Carelyn Campbell. "We waren erg blij met de resultaten."

Het NIST-team werkte achteruit, eerst de gewenste kwaliteiten voor het nieuwe nikkelstuk identificeren en vervolgens uitzoeken welke legeringen en procedures nodig zijn om het te realiseren. De U.S. Mint schetste ook enkele locatiespecifieke beperkingen; namelijk, de nieuwe munt moest worden geproduceerd met behulp van de bestaande productiefaciliteiten in Denver en Philadelphia, die beide een specifiek type langzame afkoelingsprocedure gebruiken.

Kleur bleek bijzonder uitdagend. Hoewel de meeste mensen niet zouden denken dat de munt een speciale toon of tint heeft, muntenverzamelaars zijn een veeleisende groep en zullen vaak munten afwijzen die zelfs een beetje afwijkend zijn, en verzamelaars vormen een aanzienlijk deel van de markt voor geldstukken. Het grote publiek vertrouwt misschien ook niet op een munt die te oranje of te geel is. Maar kleur is vaak een subjectief criterium, en een die moeilijk te kwantificeren of reproduceren kan zijn met een betrouwbare standaard.

In dit geval, het gebruik van het MGI-proces bleek enorm nuttig - zelfs de onderzoekers zelf verrasten met hoe efficiënt het resultaat was. Beginnend met de set parameters voor veerkracht, geleidbaarheid en kleur, het team was in staat om een ​​nieuwe mix van koper te produceren, nikkel en zink dat 40 procent goedkoper was dan de vorige metaalmix.

Het team leunde sterk op een type materiaalontwerpsysteem dat bekend staat als een Integrated Computational Materials Engineering (ICME) -raamwerk. De methode maakt gebruik van een grote hoeveelheid computermodellering om te ontdekken hoe verschillende componenten zullen reageren wanneer ze met elkaar worden gemengd. In dit geval, die componenten waren metaallegeringen.

Experimenteel werk is kostbaar en tijdrovend, terwijl het draaien van een model op een computer behoorlijk snel en goedkoop is. Het idee is om meer computationele middelen en hulpmiddelen te gebruiken om het werk in de ontwerpfase te doen om de tijd en de kosten te verminderen die nodig zijn om van idee naar realiteit te gaan.

"Binnen een jaar, we hebben een raamwerk kunnen samenstellen voor het ontwerpen van een legering, het identificeren en gebruiken van ons model om de juiste legering te krijgen, en dan verder gaan en het prototype maken, testen en ontdekken dat we al onze doelen hebben bereikt, " zei NIST-projectleider en materiaalingenieur Eric Lass. Lass is ook de senior auteur van het nieuwe artikel. In het verleden, dergelijk werk zou meerdere jaren hebben geduurd.

De resultaten kunnen de Amerikaanse munt mogelijk miljoenen besparen. In aanvulling, verschillende bedrijven die hightech-artikelen maken, hebben interesse getoond in de resultaten, aangezien er een sterke vraag is van consumenten naar elektronica die duurzaam is, maar ook verkrijgbaar in verschillende kleuren, zoals metallic roze.

Nog geen woord over of iemand actief achter een telefoon aanzit die op de wasdag door een hete droger kan komen, Hoewel.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.