Lang voordat ze wisten dat ze het deden – zo lang geleden als de eerste vliegtuigmotor van de gebroeders Wright – verwerkten metaalbewerkers nanodeeltjes in aluminium om een ​​sterk, moeilijk, hittebestendige legering. Het proces wordt vastestofprecipitatie genoemd, waarin, nadat de smelt snel is afgekoeld, atomen van legeringsmetalen migreren door een vaste matrix en verzamelen zich in verspreide deeltjes gemeten in miljardsten van een meter, slechts enkele atomen breed.

De sleutel tot de sterkte van deze door precipitatie geharde legeringen is de grootte, vorm, en uniformiteit van de nanodeeltjes en hoe stabiel ze zijn bij verhitting. Een legering met een zeer succesvolle combinatie van eigenschappen is een bijzondere formulering van aluminium, scandium, en lithium, waarvan de neerslagen bijna allemaal even groot zijn. Het werd voor het eerst gemaakt in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy in 2006 door een team onder leiding van Velimir Radmilović en Ulrich Dahmen van de Materials Sciences Division.

Deze wetenschappers en hun collega's hebben nu waarnemingen op atomaire schaal gecombineerd met de krachtige TEAM-microscoop in Berkeley Lab's National Center for Electron Microscopy (NCEM) met atoom-sonde tomografie en andere experimentele technieken, en met theoretische berekeningen, om te onthullen hoe nanodeeltjes bestaande uit kernen die rijk zijn aan scandium en omgeven door lithiumrijke omhulsels, zich in opmerkelijk uniforme maten kunnen verspreiden door een pure aluminiummatrix.

"Met de TEAM-microscoop konden we de kern-schilstructuur van deze nanoprecipitaten bestuderen en hoe ze bollen vormen met bijna dezelfde diameter, " zegt Dahmen, de directeur van NCEM en een auteur van de Natuurmaterialen paper waarin de nieuwe studies worden beschreven. "Bovendien, deze deeltjes veranderen in de loop van de tijd niet van grootte, zoals de meeste neerslagen doen. Typisch, kleine deeltjes worden kleiner en grote deeltjes worden groter, een proces dat rijping of vergroving wordt genoemd, die uiteindelijk de legeringen verzwakt. Maar deze uniforme kern-schaal nanoprecipitaten zijn bestand tegen verandering."

Evolutie van een legering

In het aluminium-scandium-lithiumsysteem ontdekten de onderzoekers dat, na de eerste smelt, een eenvoudig tweestaps verwarmingsproces creëert eerst de scandiumrijke kernen en vervolgens de lithiumrijke schillen van de bolvormige deeltjes. De sferen beperken zelf hun groei om dezelfde uiterlijke dimensies te bereiken, het opleveren van een lichtgewicht, potentieel hitte- en corrosiebestendig, supersterke legering.

"Scandium is de krachtigste versterker voor aluminium, " zegt Radmilović van NCEM, die ook hoogleraar metallurgie is aan de Universiteit van Belgrado, Servië, en een auteur van de Natuurmaterialen papier. "Het toevoegen van minder dan één procent scandium kan een dramatisch verschil maken in mechanische sterkte, breukvastheid, corrosiebestendigheid – allerlei eigenschappen." Omdat scandium zeer langzaam door de massieve aluminiummatrix diffundeert, het vaste mengsel moet worden verwarmd tot een hoge temperatuur (kort van smelten) voordat scandium zal precipiteren.

Lithium is het lichtste van alle metalen (alleen waterstof en helium zijn lichter) en geeft niet alleen lichtheid aan een aluminiumlegering, maar, mogelijk, sterkte ook. Lithium diffundeert veel sneller dan scandium, bij een veel lagere temperatuur.

"Het probleem is dat, op zichzelf, lithium kan zijn belofte niet waarmaken, " zegt Dahmen, een lange tijd samen met Radmilović. "De truc is om het lithium ervan te overtuigen een bruikbare kristallijne structuur aan te nemen, namelijk L1 ₂ ."

De L1 ₂ eenheidscel lijkt op een face-centered kubieke cel, een van de eenvoudigste en meest symmetrische kristalstructuren. Atomen bezetten elke hoek van een denkbeeldige kubus en zijn gecentreerd in de zes vlakken van de kubus; in de L1 ₂ structuur, de soorten atomen op de hoeken kunnen verschillen van die in het midden van de vlakken. Voor legeringsinsluitingen is het een van de sterkste en stabielste structuren omdat, zoals Dahmen uitlegt, "zodra atomen op hun plaats zijn in L1 ₂ , het is moeilijk voor hen om te bewegen."

Dahmen crediteert Radmilović met de "intuïtie" om zowel scandium als lithium te legeren met aluminium, verwarming en koeling van het materiaal in een specifieke reeks stappen. Die intuïtie was gebaseerd op Radmilović's lange ervaring met de afzonderlijke eigenschappen van aluminium-lithium- en aluminium-scandiumlegeringen en een diep begrip van hoe ze waarschijnlijk zouden interageren. Hij maakte een recept voor de verhoudingen van ingrediënten in de eerste smelt en hoe ze af te koelen en weer op te warmen.

De sleutel tot het proces was om lithium te gebruiken als een soort katalysator om een ​​"uitbarsting van nucleatie" in het scandium te forceren. Nadat de drie metalen zijn gemengd, gesmolten, en snel afgekoeld of geblust, lithium dient om de verwarming te verlagen die nodig is om scandium te coaxeren om dichte kernstructuren te vormen - hoewel het vaste mengsel nog 18 uur moet worden verwarmd tot 450 graden Celsius (842 Fahrenheit) om deze kernen te vormen, gemaakt van aluminium, lithium, en scandium. De kernen hebben een gemiddelde diameter van iets meer dan negen nanometer, maar zijn niet uniform in grootte.

Vervolgens wordt de legering weer verwarmd, dit keer tot 190˚ Celsius (374˚ F) gedurende vier uur. Bij de lagere temperatuur is het scandium onbeweeglijk; het vrij bewegende lithium vormt een schil rond de scandiumrijke kernen, zoals water in een wolk kristalliseert rond een stofje om een ​​sneeuwvlok te maken. De schelpen zijn gemiddeld ongeveer 10,5 nanometer dik, maar hun dikte is niet uniform.

Wat is opmerkelijk, Hoewel, is dat wanneer een kern dikker is dan het gemiddelde, de schaal is dunner dan het gemiddelde, en omgekeerd:hoe kleiner de kern, hoe sneller de schaal groeit. Kerngrootte en schaalgrootte zijn "anticorrelerend" en het resultaat is "groottegericht". Hele sferen variëren nog enigszins, maar de verschillen zijn veel kleiner dan tussen de kernen alleen of de schillen alleen.

De structuur van de kernen en schalen ingebed in aluminium lijkt even opmerkelijk. Zuiver aluminium zelf heeft een op het gezicht gecentreerde kubieke structuur, en deze structuur wordt naadloos herhaald door de L1 ₂ structuur van zowel de kernen als de schillen, perfect samengevoegd zonder dislocaties op de interfaces tussen kern, schelp, en matrix.

Dahmen zegt, "Het zijn de scandiumrijke kernen die het lithium overtuigen om de nuttige L1 aan te nemen" ₂ structuur."

Deelnemen aan experiment met theorie

Met behulp van de TEAM-microscoop en een speciale beeldvormingstechniek om naar de toppen van de regelmatige rijen kolommen met atomen te kijken, de L1 ₂ structuur openbaart zich in groepen in elkaar grijpende vierkanten, met vier kolommen van atomen op de hoeken en vijf kolommen van atomen op de opgestelde centra van de gezichten.

Van zuiver aluminium, alle stippen zijn even helder. In de schelpen en kernen, echter, de hoekkolommen en de kolommen in het midden van het gezicht verschillen in contrast - de kolommen in het midden van het gezicht zijn van puur aluminium, maar de hoekkolommen zijn gemengd. Door de TEAM-afbeeldingen met hoge resolutie aan te vullen met gegevens van andere experimentele technieken, was het mogelijk om helderheid en contrast te gebruiken om de soorten atomen in elke kolom te berekenen.

Door gebruik te maken van eerste-principeberekeningen, teamleden Colin Ophus en Mark Asta waren in staat om het effect van lithium op de vastestofprecipitatie van scandium te modelleren, het stimuleren van een plotselinge uitbarsting van kiemvorming, en ook om te begrijpen waarom, vanwege de thermodynamische eigenschappen van de twee metalen die in wisselwerking staan ​​met aluminium en met elkaar, de precipitaten zijn zo uniform en stabiel.

Radmilović zegt, "Colin en Mark lieten zien dat lithium en scandium elkaar leuk vinden. Ze lieten ook zien dat door de aluminium kolommen als standaard te gebruiken, we kunnen de intensiteit van het scandium en lithium berekenen door de helderheid van de plek." In de schelpen, de hoekkolommen bevatten aluminium en ongeveer 10 procent lithium. In de kernen, de hoekkolommen bevatten alle drie de metalen.

Dahmen zegt, "In de afgelopen jaren is er een snelle toename geweest in het gebruik van 'integratieve microscopie' - met behulp van een verscheidenheid aan technieken zoals hooghoekige ringvormige donkerveldbeeldvorming, fasecontrast met hoge resolutie, en energiegefilterde beeldvorming en spectroscopie om één enkel probleem aan te pakken. De TEAM-microscoop, die is gecorrigeerd voor zowel chromatische als sferische aberratie, is uniek in zijn vermogen om al deze technieken met hoge resolutie uit te voeren. Begrijpen waarom nano-insluitingen in aluminium-scandium-lithium uniform zijn, is een van de beste voorbeelden voor de noodzaak om integratieve microscopie te gebruiken."

Een even goede legering als aluminium-scandium-lithium is, het gebruik ervan kan worden beperkt door de kosten van zeldzaam scandium, momenteel tien keer de prijs van goud. Door te begrijpen hoe de legering zijn opmerkelijke eigenschappen bereikt, de onderzoekers verwachten volledig dat andere systemen met kern-schil precipitaten kunnen worden gecontroleerd door dezelfde mechanismen, wat leidt tot nieuwe soorten legeringen met een reeks gewenste eigenschappen.