Legeringen, materialen zoals staal die worden gemaakt door twee of meer metalen elementen te combineren, behoren tot de fundamenten van het hedendaagse leven. Ze zijn essentieel voor gebouwen, transport, apparaten en gereedschappen, inclusief, zeer waarschijnlijk, het apparaat dat u gebruikt om dit verhaal te lezen. Bij het toepassen van legeringen zijn ingenieurs geconfronteerd met een eeuwenoude afweging die bij de meeste materialen voorkomt:legeringen die hard zijn, zijn vaak bros en breken onder spanning, terwijl legeringen die flexibel zijn onder spanning de neiging hebben gemakkelijk te deuken.

Mogelijkheden om die afweging te omzeilen ontstonden ongeveer twintig jaar geleden, toen onderzoekers voor het eerst legeringen met een middelmatige en hoge entropie ontwikkelden, stabiele materialen die hardheid en flexibiliteit combineren op een manier waarop conventionele legeringen dat niet doen. (De "entropie" in de naam geeft aan hoe wanordelijk het mengsel van de elementen in de legeringen is.)

Nu heeft een door de UCLA geleid onderzoeksteam een ​​ongekend inzicht gegeven in de structuur en kenmerken van legeringen met gemiddelde en hoge entropie. Met behulp van een geavanceerde beeldvormingstechniek heeft het team voor het eerst de driedimensionale atoomcoördinaten van dergelijke legeringen in kaart gebracht. In een andere wetenschappelijke primeur voor welk materiaal dan ook, correleerden de onderzoekers het mengsel van elementen met structurele defecten. Het onderzoek werd op 20 december gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

"Legeringen met een gemiddelde en hoge entropie waren eerder op atomaire schaal afgebeeld in 2D-projecties, maar deze studie is de eerste keer dat hun atomaire 3D-orde rechtstreeks is waargenomen", zegt corresponderende auteur Jianwei "John" Miao, een professor in de wetenschappen. natuurkunde aan het UCLA College en lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA. "We hebben een nieuwe knop gevonden waaraan kan worden gedraaid om de taaiheid en flexibiliteit van legeringen te vergroten."

Legeringen met gemiddelde entropie combineren drie of vier metalen in ongeveer gelijke hoeveelheden; legeringen met een hoge entropie combineren vijf of meer op dezelfde manier. Conventionele legeringen bestaan ​​daarentegen meestal uit één metaal, terwijl de andere in kleinere verhoudingen met elkaar vermengd zijn. (Roestvrij staal kan bijvoorbeeld voor driekwart of meer uit ijzer bestaan.)

Om de bevindingen van de wetenschappers te begrijpen, moet je denken aan een smid die een zwaard smeedt. Dat werk wordt geleid door het contra-intuïtieve feit dat kleine structurele defecten metalen en legeringen feitelijk sterker maken. Terwijl de smid herhaaldelijk een zachte, flexibele metalen staaf verwarmt totdat deze gloeit en deze vervolgens in water dooft, ontstaan ​​er structurele defecten die ervoor zorgen dat de staaf in een onverzettelijk zwaard verandert.

Miao en zijn collega's concentreerden zich op een type structureel defect dat een dubbele grens wordt genoemd en waarvan wordt aangenomen dat het een sleutelfactor is in de unieke combinatie van taaiheid en flexibiliteit van legeringen met gemiddelde en hoge entropie. Twinning vindt plaats wanneer spanning ervoor zorgt dat een deel van een kristalmatrix diagonaal buigt, terwijl de atomen eromheen in hun oorspronkelijke configuratie blijven en spiegelbeelden vormen aan weerszijden van de grens.

De onderzoekers gebruikten een reeks metalen om nanodeeltjes te maken, zo klein dat ze in miljardsten van een meter kunnen worden gemeten. Zes nanodeeltjes van medium-entropie-legeringen combineerden nikkel, palladium en platina. Vier nanodeeltjes van een legering met een hoge entropie combineren kobalt, nikkel, ruthenium, rhodium, palladium, zilver, iridium en platina.

Het proces om deze legeringen te maken lijkt op een extreme – en extreem snelle – versie van de taak van de smid. De wetenschappers maakten het metaal gedurende vijfhonderdste van een seconde vloeibaar bij een temperatuur van meer dan 2000 graden Fahrenheit, en koelden het vervolgens in minder dan een tiende van die tijd af. Het idee is om de vaste legering in hetzelfde gevarieerde mengsel van elementen te fixeren als een vloeistof. Onderweg veroorzaakte de schok van het proces dubbele grenzen in zes van de tien nanodeeltjes; Vier daarvan hadden elk een tweeling.

Voor het identificeren van de defecten was een beeldvormingstechniek nodig die de onderzoekers ontwikkelden, genaamd atomaire elektronentomografie. De techniek maakt gebruik van elektronen omdat details op atomair niveau veel kleiner zijn dan de golflengten van zichtbaar licht. De resulterende gegevens kunnen in 3D in kaart worden gebracht omdat er meerdere afbeeldingen worden vastgelegd terwijl een monster wordt geroteerd. Het afstemmen van atomaire elektronentomografie om de complexe mengsels van metalen in kaart te brengen was een moeizame onderneming.

"Ons doel is om de waarheid in de natuur te vinden, en onze metingen moeten zo nauwkeurig mogelijk zijn", zegt Miao, tevens adjunct-directeur van het STROBE National Science Foundation Science and Technology Center. "We werkten langzaam, verlegden de limiet om elke stap van het proces zo perfect mogelijk te maken en gingen vervolgens door naar de volgende stap."

De wetenschappers brachten elk atoom in de nanodeeltjes van de medium-entropielegering in kaart. Sommige metalen in de legering met een hoge entropie leken qua grootte te veel op elkaar om met behulp van elektronenmicroscopie onderscheid te kunnen maken. Dus de kaart van die nanodeeltjes groepeerde de atomen in drie categorieën.

De onderzoekers merkten op dat hoe meer atomen van verschillende elementen (of verschillende categorieën elementen) worden gemengd, hoe waarschijnlijker het is dat de structuur van de legering zal veranderen op een manier die bijdraagt ​​aan het matchen van taaiheid met flexibiliteit. De bevindingen kunnen het ontwerp van legeringen met gemiddelde en hoge entropie met extra duurzaamheid ondersteunen en zelfs potentiële eigenschappen ontsluiten die momenteel onzichtbaar zijn in staal en andere conventionele legeringen door het mengsel van bepaalde elementen te ontwerpen.

"Het probleem met het bestuderen van defecte materialen is dat je elk afzonderlijk defect afzonderlijk moet bekijken om echt te weten hoe het de omringende atomen beïnvloedt", zegt co-auteur Peter Ercius, stafwetenschapper bij de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory. "Atomische elektronentomografie is de enige techniek met de resolutie om dat te doen. Het is gewoon verbazingwekkend dat we op deze schaal in zulke kleine objecten door elkaar gegooide atomaire arrangementen kunnen zien."

Miao en zijn collega's ontwikkelen nu een nieuwe beeldvormingsmethode die atomaire elektronenmicroscopie combineert met een techniek voor het identificeren van de samenstelling van een monster op basis van de fotonen die het uitzendt, om onderscheid te maken tussen metalen met atomen van vergelijkbare grootte.

Ze ontwikkelen ook manieren om bulk-legeringen met een gemiddelde en hoge entropie te onderzoeken en om de fundamentele relaties tussen hun structuren en eigenschappen te begrijpen.

Meer informatie: Jianwei Miao, Driedimensionale atomaire structuur en lokale chemische volgorde van nanolegeringen met gemiddelde en hoge entropie, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06785-z. www.nature.com/articles/s41586-023-06785-z

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door het California NanoSystems Institute