Als je ooit de pech hebt een auto met metalen banden te hebben, je zou een set kunnen overwegen die is gemaakt van een nieuwe legering die is ontwikkeld door Sandia National Laboratories. Je zou kunnen slippen - niet rijden, slip - 500 keer rond de evenaar van de aarde voordat het loopvlak verslijt.

Het materiaalwetenschappelijk team van Sandia heeft een platina-goudlegering ontwikkeld die wordt beschouwd als het meest slijtvaste metaal ter wereld. Het is 100 keer duurzamer dan hoogwaardig staal, waardoor het de eerste legering is, of combinatie van metalen, in dezelfde klasse als diamant en saffier, de meest slijtvaste materialen van de natuur. Sandia's team rapporteerde onlangs hun bevindingen in: Geavanceerde materialen . "We hebben laten zien dat je een fundamentele verandering kunt aanbrengen in sommige legeringen die deze enorme prestatieverbetering zullen geven over een breed scala aan echte, praktische metalen, " zei materiaalwetenschapper Nic Argibay, een auteur op papier.

Hoewel metalen doorgaans als sterk worden beschouwd, wanneer ze herhaaldelijk tegen andere metalen wrijven, zoals in een motor, ze slijten, vervormen en corroderen, tenzij ze een beschermende barrière hebben, zoals additieven in motorolie.

Bij elektronica, bewegende metaal-op-metaal contacten krijgen vergelijkbare bescherming met buitenste lagen van goud of andere edele metaallegeringen. Maar deze coatings zijn duur. En uiteindelijk slijten ze, te, als verbindingen dag in dag uit over elkaar drukken en glijden, jaar na jaar, soms miljoenen, zelfs miljarden keren. Deze effecten worden versterkt naarmate de verbindingen kleiner zijn, want hoe minder materiaal je begint, hoe minder slijtage een verbinding kan doorstaan ​​voordat deze niet meer werkt.

Met Sandia's platina-gouden coating, slechts een enkele laag atomen zou verloren gaan na een kilometer slippen op de hypothetische banden. De ultraduurzame coating kan de elektronica-industrie alleen al aan materialen meer dan $ 100 miljoen per jaar besparen, Argibay zegt, en maak elektronica van elke omvang en in vele industrieën kosteneffectiever, duurzaam en betrouwbaar - van ruimtevaartsystemen en windturbines tot micro-elektronica voor mobiele telefoons en radarsystemen.

"Deze slijtvaste materialen kunnen mogelijk betrouwbaarheidsvoordelen bieden voor een reeks apparaten die we hebben onderzocht, " zei Chris Nordquist, een Sandia-ingenieur die niet bij het onderzoek betrokken was. "De mogelijkheden voor integratie en verbetering zouden apparaatspecifiek zijn, maar dit materiaal zou een ander hulpmiddel zijn om de huidige betrouwbaarheidsbeperkingen van metalen micro-elektronische componenten aan te pakken."

Nieuw metaal brengt een oude theorie tot rust

Je vraagt ​​je misschien af ​​hoe metaalbewerkers dit duizenden jaren op de een of andere manier hebben gemist. in waarheid, de combinatie van 90 procent platina met 10 procent goud is helemaal niet nieuw.

Maar de techniek is nieuw. Argibay en co-auteur Michael Chandross waren het brein achter het ontwerp en de nieuwe wijsheid van de 21e eeuw erachter. Conventionele wijsheid zegt dat het vermogen van een metaal om wrijving te weerstaan, is gebaseerd op hoe hard het is. Het Sandia-team stelde een nieuwe theorie voor die zegt dat slijtage verband houdt met hoe metalen reageren op warmte, niet hun hardheid, en ze kozen metalen uit, proporties en een fabricageproces dat hun theorie zou kunnen bewijzen.

"Veel traditionele legeringen zijn ontwikkeld om de sterkte van een materiaal te vergroten door de korrelgrootte te verkleinen, " zei John Curry, een postdoctoraal aangestelde bij Sandia en eerste auteur op het papier. "Zelfs nog, in aanwezigheid van extreme spanningen en temperaturen zullen veel legeringen grover of zachter worden, vooral bij vermoeidheid. We zagen dat met onze platina-goudlegering de mechanische en thermische stabiliteit uitstekend is, en we zagen niet veel verandering in de microstructuur gedurende immens lange perioden van cyclische stress tijdens het glijden."

Nu hebben ze het bewijs dat ze in hun handen kunnen houden. Het ziet eruit en voelt aan als gewoon platina, zilverwit en iets zwaarder dan puur goud. Meest belangrijk, het is niet harder dan andere platina-goudlegeringen, maar het is veel beter bestand tegen hitte en honderd keer slijtvaster.

De aanpak van het team is modern en was afhankelijk van rekenhulpmiddelen. De theorie van Argibay en Chandross kwam voort uit simulaties die berekenden hoe individuele atomen de grootschalige eigenschappen van een materiaal beïnvloedden, een verband dat zelden duidelijk wordt uit waarnemingen alleen. Onderzoekers op veel wetenschappelijke gebieden gebruiken computerhulpmiddelen om veel van het giswerk uit onderzoek en ontwikkeling te halen.

"We gaan naar fundamentele atomaire mechanismen en microstructuur en verbinden al deze dingen met elkaar om te begrijpen waarom je goede prestaties krijgt of waarom je slechte prestaties krijgt, en vervolgens een legering te ontwikkelen die u goede prestaties geeft, ' zei Chandros.

Een gelikte verrassing

Nog altijd, er zullen altijd verrassingen zijn in de wetenschap. In een apart artikel gepubliceerd in Koolstof , het Sandia-team beschrijft de resultaten van een opmerkelijk ongeval. Op een dag, terwijl ze de slijtage van hun platina-goud meten, een onverwachte zwarte film begon zich bovenop te vormen. Ze herkenden het:diamantachtige koolstof, een van 's werelds beste door de mens gemaakte coatings, glad als grafiet en hard als diamant. Hun creatie was het maken van zijn eigen smeermiddel, en een goede daarbij.

Diamantachtige koolstof vereist meestal speciale omstandigheden om te produceren, en toch synthetiseerde de legering het spontaan.

"We zijn van mening dat de stabiliteit en inherente slijtvastheid ervoor zorgt dat koolstofhoudende moleculen uit de omgeving tijdens het glijden blijven kleven en degraderen om uiteindelijk diamantachtige koolstof te vormen, "Zei Curry. "De industrie heeft andere methoden om dit te doen, maar het gaat meestal om vacuümkamers met plasma's van koolstofsoorten op hoge temperatuur. Het kan erg duur worden."

Het fenomeen zou kunnen worden aangewend om de toch al indrukwekkende prestaties van het metaal verder te verbeteren, en het zou mogelijk ook kunnen leiden tot een eenvoudiger, meer kosteneffectieve manier om premium smeermiddel in massa te produceren.