Hoge druk zou de sleutel kunnen zijn om geavanceerde metaalmengsels te maken die lichter, sterker en hittebestendiger dan conventionele legeringen, suggereert een nieuwe studie van Stanford-onderzoekers.

Mensen mengen al duizenden jaren metalen om legeringen met unieke eigenschappen te maken. Maar traditionele legeringen bestaan ​​meestal uit een of twee dominante metalen met een snufje andere metalen of elementen erin. Klassieke voorbeelden zijn het toevoegen van tin aan koper om brons te maken, of koolstof tot ijzer om staal te maken.

In tegenstelling tot, "high-entropy" legeringen bestaan ​​uit meerdere metalen gemengd in ongeveer gelijke hoeveelheden. Het resultaat is sterkere en lichtere legeringen die beter bestand zijn tegen hitte, corrosie en straling, en die misschien zelfs een unieke mechanische, magnetische of elektrische eigenschappen.

Ondanks grote belangstelling van materiaalwetenschappers, legeringen met een hoge entropie moeten nog de sprong maken van het laboratorium naar echte producten. Een belangrijke reden is dat wetenschappers er nog niet achter zijn hoe ze de regeling precies kunnen controleren, of verpakkingsstructuur, van de samenstellende atomen. Hoe de atomen van een legering zijn gerangschikt, kan de eigenschappen ervan aanzienlijk beïnvloeden, helpen bepalen, bijvoorbeeld, of het nu stijf of ductiel is, sterk of broos.

"Sommige van de meest bruikbare legeringen bestaan ​​uit metaalatomen die zijn gerangschikt in een combinatie van pakkingstructuren, " zei studie eerste auteur Cameron Tracy, een postdoctoraal onderzoeker aan de Stanford's School of Earth, Energy &Environmental Sciences en het Centrum voor Internationale Veiligheid en Samenwerking (CISAC).

Een nieuwe structuur

Daten, wetenschappers zijn er slechts in geslaagd om twee soorten pakkingstructuren te herscheppen met de meeste legeringen met hoge entropie, lichaamsgecentreerd kubisch en gezichtsgecentreerd kubisch genoemd. Een derde, gemeenschappelijke verpakkingsstructuur is de inspanningen van wetenschappers grotendeels ontgaan - tot nu toe.

In de nieuwe studie online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , Tracy en zijn collega's melden dat ze met succes een legering met hoge entropie hebben gemaakt, gemaakt van gewone en gemakkelijk verkrijgbare metalen, met een zogenaamde hexagonale close-packed (HCP) structuur.

"De afgelopen jaren is een klein aantal legeringen met hoge entropie met de HCP-structuur gemaakt, maar ze bevatten veel exotische elementen zoals alkalimetalen en zeldzame aardmetalen, " zei Tracy. "Wat we hebben kunnen doen, is een HCP-legering met hoge entropie maken van gewone metalen die doorgaans worden gebruikt in technische toepassingen."

De truc, het lijkt, staat onder hoge druk. Tracy en zijn collega's gebruikten een instrument genaamd een diamant-aambeeldcel om minuscule monsters van een legering met hoge entropie te onderwerpen aan een druk van wel 55 gigapascal - ongeveer de druk die men zou tegenkomen in de aardmantel. "De enige keer dat je die druk op het aardoppervlak ooit van nature zou zien, is tijdens een echt grote meteorietinslag, ' zei Tracy.

Hoge druk lijkt een transformatie teweeg te brengen in de legering met hoge entropie die het team gebruikte. die bestond uit mangaan, kobalt, ijzer, nikkel en chroom. "Stel je de atomen voor als een laag pingpongballen op een tafel, en dan nog meer lagen er bovenop toe te voegen. Dat kan een op het gezicht gecentreerde kubische verpakkingsstructuur vormen. Maar als je sommige lagen iets verschuift ten opzichte van de eerste, je zou een zeshoekige dicht opeengepakte structuur krijgen, ' zei Tracy.

Wetenschappers hebben gespeculeerd dat de reden waarom legeringen met een hoge entropie deze verschuiving niet van nature ondergaan, is omdat de interactie van magnetische krachten tussen de metaalatomen dit voorkomt. Maar hoge druk lijkt de magnetische interacties te verstoren.

"Als je een materiaal onder druk zet, je duwt alle atomen dichter bij elkaar. Vaak, als je iets comprimeert, het wordt minder magnetisch, "Zei Tracy. "Dat lijkt hier te gebeuren:het comprimeren van de legering met hoge entropie maakt het niet-magnetisch of bijna niet-magnetisch, en een HCP-fase is ineens mogelijk."

Stabiele configuratie

interessant, de legering behoudt een HCP-structuur, zelfs nadat de druk is verwijderd. "Meestal, als je de druk wegneemt, de atomen springen terug naar hun vorige configuratie. Maar dat gebeurt hier niet, en dat is echt verrassend, " zei studie co-auteur Wendy Mao, een universitair hoofddocent geologische wetenschappen aan Stanford's School of Earth, Energie &Milieuwetenschappen.

Het team ontdekte ook dat door de druk langzaam op te voeren, ze zouden de hoeveelheid hexagonale close-pack-structuur in hun legering kunnen vergroten. "Dit suggereert dat het mogelijk is om het materiaal aan te passen om ons precies de mechanische eigenschappen te geven die we willen voor een bepaalde toepassing, ' zei Tracy.

Bijvoorbeeld, verbrandingsmotoren en krachtcentrales werken efficiënter bij hoge temperaturen, maar conventionele legeringen hebben de neiging om niet goed te presteren in extreme omstandigheden omdat hun atomen beginnen te bewegen en meer wanordelijk worden.

"Hoge entropie legeringen, echter, al een hoge mate van wanorde bezitten vanwege hun sterk vermengde karakter, "Zei Tracy. "Als gevolg daarvan, ze hebben mechanische eigenschappen die geweldig zijn bij lage temperaturen en geweldig blijven bij hoge temperaturen."

In de toekomst, materiaalwetenschappers kunnen de eigenschappen van legeringen met hoge entropie mogelijk nog verder verfijnen door verschillende metalen en elementen met elkaar te mengen. "Er is een groot deel van het periodiek systeem en er zijn zoveel permutaties om te onderzoeken, ' zei Mao.