Materiaalwetenschappers van Duke University en UC San Diego hebben een nieuwe klasse van carbiden ontdekt die naar verwachting tot de hardste materialen met de hoogste smeltpunten behoren. Gemaakt van goedkope metalen, de nieuwe materialen kunnen binnenkort worden gebruikt in een breed scala van industrieën, van machines en hardware tot ruimtevaart.

Een carbide is traditioneel een verbinding die bestaat uit koolstof en een ander element. In combinatie met een metaal zoals titanium of wolfraam, het resulterende materiaal is extreem hard en moeilijk te smelten. Dit maakt carbiden ideaal voor toepassingen zoals het coaten van het oppervlak van snijgereedschappen of onderdelen van een ruimtevoertuig.

Er bestaat ook een klein aantal complexe carbiden met drie of meer elementen, maar worden niet vaak aangetroffen buiten het laboratorium of in industriële toepassingen. Dit komt vooral door de moeilijkheden om te bepalen welke combinaties stabiele structuren kunnen vormen, laat staan ​​gewenste eigenschappen hebben.

Een team van materiaalwetenschappers van Duke University en UC San Diego heeft nu de ontdekking aangekondigd van een nieuwe klasse van carbiden die koolstof met vijf verschillende metalen elementen tegelijk verbinden. De resultaten verschijnen op 27 november online in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het bereiken van stabiliteit door het chaotische mengsel van hun atomen in plaats van een geordende atoomstructuur, deze materialen werden computationeel voorspeld door de onderzoekers van Duke University en vervolgens met succes gesynthetiseerd aan UC San Diego.

"Deze materialen zijn harder en lichter dan de huidige carbiden, " zei Stefano Curtarolo, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke. "Ze hebben ook een zeer hoog smeltpunt en zijn gemaakt van relatief goedkope materiaalmengsels. Deze combinatie van eigenschappen zou ze zeer nuttig moeten maken voor een breed scala aan industrieën."

Wanneer leerlingen leren over moleculaire structuren, ze krijgen kristallen te zien als zout, die lijkt op een 3D-dambord. Deze materialen krijgen hun stabiliteit en sterkte door regelmatig, geordende atoombindingen waarbij de atomen in elkaar passen als stukjes van een legpuzzel.

Onvolkomenheden in een kristallijne structuur, echter, kan vaak kracht toevoegen aan een materiaal. Als scheuren zich beginnen voort te planten langs een lijn van moleculaire bindingen, bijvoorbeeld, een groep verkeerd uitgelijnde structuren kan het in zijn sporen stoppen. Het verharden van vaste metalen door de perfecte hoeveelheid wanorde te creëren, wordt bereikt door een proces van verwarming en afschrikken dat gloeien wordt genoemd.

De nieuwe klasse van vijf-metaalcarbiden tilt dit idee naar een hoger niveau. Elke afhankelijkheid van kristallijne structuren en bindingen voor hun stabiliteit overboord gooien, deze materialen zijn volledig afhankelijk van wanorde. Terwijl een stapel honkballen niet op zichzelf staat, een stapel honkballen, schoenen, vleermuizen, hoeden en handschoenen misschien wel.

De moeilijkheid ligt in het voorspellen welke combinatie van elementen stand zal houden. Nieuwe materialen proberen te maken is duur en tijdrovend. Het berekenen van atomaire interacties door middel van simulaties van het eerste principe is nog meer het geval. En met vijf slots voor metalen elementen en 91 om uit te kiezen, het aantal potentiële recepten wordt al snel ontmoedigend.

"Om erachter te komen welke combinaties goed samengaan, je moet een spectrale analyse doen op basis van entropie, " zei Pranab Sarker, een postdoctoraal medewerker in het laboratorium van Curtarolo en een van de eerste auteurs van het artikel. "Entropie is ongelooflijk tijdrovend en moeilijk te berekenen door een model atoom voor atoom te bouwen. Dus probeerden we iets anders."

Het team beperkte eerst het gebied van ingrediënten tot acht metalen waarvan bekend is dat ze carbideverbindingen maken met een hoge hardheid en smelttemperaturen. Vervolgens berekenden ze hoeveel energie het zou kosten om een ​​potentieel vijf-metaalcarbide een grote reeks willekeurige configuraties te laten vormen.

Als de resultaten ver uit elkaar zouden liggen, het gaf aan dat de combinatie waarschijnlijk de voorkeur zou geven aan een enkele configuratie en uit elkaar zou vallen - zoals te veel honkballen in de mix. Maar als er veel configuraties waren die stevig aan elkaar waren geklonterd, het gaf aan dat het materiaal waarschijnlijk in één keer veel verschillende structuren zou vormen, het verschaffen van de wanorde die nodig is voor structurele stabiliteit.

De groep testte vervolgens zijn theorie door collega Kenneth Vecchio, hoogleraar NanoEngineering aan UC San Diego, om te proberen negen van de verbindingen daadwerkelijk te maken. Dit werd gedaan door de elementen in elk recept te combineren in een fijn poedervorm, persen bij temperaturen tot 4, 000 graden Fahrenheit en met 2000 Ampère stroom er rechtstreeks doorheen.

"Het was een moeilijke taak om deze materialen te leren verwerken, " zei Tyler Harrington, een doctoraat student in het laboratorium van Vecchio en co-eerste auteur van het artikel. "Ze gedragen zich anders dan alle materialen waarmee we ooit te maken hebben gehad, zelfs de traditionele carbiden."

Ze kozen de drie recepten die volgens hun systeem het meest waarschijnlijk een stabiel materiaal vormen, de twee minst waarschijnlijke, en vier willekeurige combinaties die daartussen scoorden. Als voorspeld, de drie meest waarschijnlijke kandidaten waren succesvol, terwijl de twee minst waarschijnlijke dat niet waren. Drie van de vier tussenscorers vormden ook stabiele structuren. Hoewel de nieuwe carbiden waarschijnlijk allemaal gewenste industriële eigenschappen hebben, één onwaarschijnlijke combinatie viel op:een combinatie van molybdeen, niobium, tantaal, vanadium en wolfraam, kortweg MoNbTaVWC5 genoemd.

"Het combineren van deze set elementen is eigenlijk hetzelfde als proberen een aantal vierkanten en zeshoeken samen te persen, " zei Cormac Toher, een assistent-onderzoeksprofessor in het laboratorium van Curtarolo. "Alleen op intuïtie gaan, je zou nooit denken dat die combinatie haalbaar zou zijn. Maar het blijkt dat de beste kandidaten eigenlijk contra-intuïtief zijn."

"We weten de exacte eigenschappen nog niet omdat het nog niet volledig is getest, " zei Curtarolo. "Maar als we het de komende maanden in het laboratorium krijgen, Het zou me niet verbazen als het het hardste materiaal blijkt te zijn met het hoogste smeltpunt ooit gemaakt."

"Deze samenwerking is een team van onderzoekers die zich richten op het aantonen van de unieke en potentieel paradigmaveranderende implicaties van deze nieuwe benadering, "zei Vecchio. "We gebruiken innovatieve benaderingen van modellering volgens de eerste beginselen in combinatie met geavanceerde synthese- en karakteriseringstools om de geïntegreerde 'closed-loop'-methodologie te bieden die zo nodig is voor geavanceerde materiaalontdekking."