Een team van wetenschappers heeft het sterkste zilver ooit gemaakt:42 procent sterker dan het vorige wereldrecord. Maar dat is niet het belangrijkste punt.

"We hebben op nanoschaal een nieuw mechanisme ontdekt dat ons in staat stelt metalen te maken die veel sterker zijn dan ooit tevoren - zonder enig elektrisch geleidingsvermogen te verliezen, " zegt Frederic Sansoz, een materiaalwetenschapper en professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Vermont die de nieuwe ontdekking leidde.

Deze fundamentele doorbraak belooft een nieuwe categorie materialen die een traditionele afweging in industriële en commerciële materialen tussen sterkte en het vermogen om elektrische stroom te transporteren, kan overwinnen.

De resultaten van het team werden op 23 september gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Het defect heroverwegen

Alle metalen hebben gebreken. Vaak leiden deze gebreken tot ongewenste eigenschappen, zoals broosheid of zacht worden. Dit heeft ertoe geleid dat wetenschappers verschillende legeringen of zware materiaalmengsels hebben gemaakt om ze sterker te maken. Maar naarmate ze sterker worden, ze verliezen elektrische geleidbaarheid.

"We vroegen ons af, hoe kunnen we een materiaal met defecten maken, maar de verweking overwinnen met behoud van de elektrische geleidbaarheid, " zei Morris Wang, een hoofdwetenschapper aan het Lawrence Livermore National Laboratory en co-auteur van de nieuwe studie.

Door een sporenhoeveelheid koper in het zilver te mengen, het team toonde aan dat het twee soorten inherente nanoschaaldefecten kan transformeren in een krachtige interne structuur. "Dat komt omdat onzuiverheden direct worden aangetrokken door deze defecten, " legt Sansoz uit. Met andere woorden, het team gebruikte een koperverontreiniging - een vorm van doping of "microlegering" zoals de wetenschappers het noemen - om het gedrag van defecten in zilver te beheersen. Als een soort jiu-jitsu op atomaire schaal, de wetenschappers draaiden de gebreken in hun voordeel, ze gebruiken om zowel het metaal te versterken als de elektrische geleidbaarheid te behouden.

Om hun ontdekking te doen, het team, inclusief experts van UVM, Lawrence Livermore National Lab, het Ames-laboratorium, Los Alamos National Laboratory en UCLA - begonnen met een fundamenteel idee van materiaaltechnologie:naarmate de grootte van een kristal - of korrel - materiaal kleiner wordt, het wordt sterker. Wetenschappers noemen dit de Hall-Petch-relatie. Dankzij dit algemene ontwerpprincipe kunnen wetenschappers en ingenieurs al meer dan 70 jaar sterkere legeringen en geavanceerde keramiek bouwen. Het werkt heel goed.

Tot het niet meer gaat. Eventueel, wanneer metaalkorrels een oneindig kleine omvang bereiken - minder dan tientallen nanometers breed - worden de grenzen tussen de korrels onstabiel en beginnen ze te bewegen. Daarom, een andere bekende benadering voor het versterken van metalen zoals zilver maakt gebruik van "coherente tweelinggrenzen op nanoschaal, " die een speciaal type korrelgrens zijn. Deze structuren van gepaarde atomen - die een symmetrische spiegelachtige kristallijne interface vormen - zijn buitengewoon sterk tegen vervorming. Behalve dat deze tweelinggrenzen, te, zacht worden wanneer hun tussenruimte onder een kritische grootte van enkele nanometers valt, vanwege onvolkomenheden.

Ongekende eigenschappen

Heel grof gezegd, nanokristallen zijn als lapjes stof en nanotweelingen zijn als sterke maar kleine draadjes in de stof. Behalve dat ze op atomaire schaal zijn. Het nieuwe onderzoek combineert beide benaderingen om te maken wat de wetenschappers een "nanokristallijn-nano-gewonnen metaal noemen, " die "ongekende mechanische en fysische eigenschappen heeft, ’, schrijft het team.

Dat komt omdat de koperatomen, iets kleiner dan de atomen van zilver, verplaatsen naar defecten in zowel de korrelgrenzen als de tweelinggrenzen. Dit stelde het team in staat - met behulp van computersimulaties van atomen als uitgangspunt en vervolgens over te stappen op echte metalen met geavanceerde instrumenten bij de National Laboratories - om de nieuwe supersterke vorm van zilver te creëren. De kleine koperverontreinigingen in het zilver zorgen ervoor dat de defecten niet kunnen bewegen, maar zijn zo'n kleine hoeveelheid metaal - minder dan één procent van het totaal - dat de rijke elektrische geleidbaarheid van zilver behouden blijft. "De onzuiverheden van het koperatoom gaan langs elk grensvlak en niet ertussenin, Sansoz legt uit. "Zodat ze de elektronen die zich erdoor voortplanten niet verstoren."

Dit metaal overwint niet alleen de verzachting die eerder werd waargenomen als korrels en dubbele grenzen te klein worden - de zogenaamde "Hall-Petch-afbraak" - het overschrijdt zelfs de al lang bestaande theoretische Hall-Petch-limiet. Het team meldt dat een "ideale maximale sterkte" kan worden gevonden in metalen met dubbele grenzen die minder dan zeven nanometer uit elkaar liggen, slechts een paar atomen. En een warmtebehandelde versie van het met koper geregen zilver van het team heeft een hardheidsmaat die hoger ligt dan wat als het theoretische maximum werd beschouwd.

"We hebben het wereldrecord gebroken, en ook de Hall-Petch-limiet, niet slechts één keer, maar meerdere keren in de loop van dit onderzoek, met zeer gecontroleerde experimenten, ' zegt Sansoz.

Sansoz is ervan overtuigd dat de aanpak van het team om supersterk en nog steeds geleidend zilver te maken ook op veel andere metalen kan worden toegepast. "Dit is een nieuwe klasse materialen en we beginnen net te begrijpen hoe ze werken, "zegt hij. En hij verwacht dat de basiswetenschap die in de nieuwe studie wordt onthuld, kan leiden tot technologische vooruitgang - van efficiëntere zonnecellen tot lichtere vliegtuigen tot veiligere kerncentrales. "Als je materiaal sterker kunt maken, je kunt er minder van gebruiken, en het duurt langer " hij zegt, "en elektrisch geleidend zijn is cruciaal voor veel toepassingen."