(Phys.org) —In een wereldprimeur, een team van onderzoekers uit Australië, China en de VS hebben een supersterke metalen composiet gemaakt door gebruik te maken van de buitengewone mechanische eigenschappen van nanodraden.

Co-auteur en hoofd van de School of Mechanical and Chemical Engineering aan de University of Western Australia, Winthrop-professor Yinong Liu, zei dat het werk effectief een uitdaging heeft overwonnen die 's werelds beste wetenschappers en ingenieurs al meer dan drie decennia heeft gefrustreerd, bijgenaamd de "vallei des doods" in nanocomposietontwerp.

"We weten dat nanodraden buitengewone mechanische eigenschappen vertonen, in het bijzonder ultrahoge sterktes in de orde van enkele gigapascal, de theoretische grenzen naderen. Met de snelle ontwikkeling van ons vermogen om meer in verscheidenheid te produceren, meer in hoeveelheid en beter in vorm en grootte van nanodraden, de kans op het maken van bulk engineering composietmaterialen versterkt door deze nanodraden is groot geworden, "Zei professor Liu. Echter, alle pogingen tot nu toe zijn er niet in geslaagd om de buitengewone eigenschappen van de nanodraden in bulkmaterialen te realiseren.

Professor Liu zegt dat het probleem bij de matrix zit:"In een normale metalen matrix-nanodraadcomposiet, wanneer we de composiet tot een zeer hoge spanning trekken, de nanodraden zullen een grote elastische vervorming van enkele procenten ondergaan. Dat is oké voor de nanodraden, maar de normale metalen die de matrix vormen, kunnen dat niet. Ze kunnen elastisch uitrekken tot niet meer dan 1 procent. Verder dan dat, de matrix vervormt plastisch, " hij zei.

Plastische vervorming beschadigt de kristalstructuur op het grensvlak tussen de nanodraden en de matrix. In dit verband, de eigenschappen van de composiet worden beperkt door de eigenschappen van de gewone matrix, en niet bepaald door de buitengewone eigenschappen van de nanodraden.

"De truc is met de NiTi-matrix, Professor Liu zei. "NiTi is een legering met vormgeheugen, een mooie naam maar niet helemaal nieuw. Het is niet sterker dan andere gewone metalen, maar het heeft één speciale eigenschap, namelijk de martensitische transformatie. De transformatie kan een vervorming produceren die compatibel is met de elastische vervorming van de nanodraden zonder plastische schade aan de structuur van de composiet. Dit geeft de nanodraden effectief de kans om hun werk te doen, dat is, om de hoge belasting te dragen en supersterk te zijn. Hiermee zijn we de 'valley of death' overgestoken!" zei professor Liu.

Met behulp van dit idee, de onderzoekers hebben composietmaterialen gemaakt die twee keer zo sterk zijn als hogesterktestaal, die een elastische spanningslimiet hebben tot zes procent - wat 5-10 keer groter is dan de elastische spanningen van de beste verenstaalsoorten die momenteel beschikbaar zijn - en een Young's modulus van ~30 GPa, die tot nu toe ongeëvenaard is door enig technisch materiaal.

De doorbraak opent de deur voor een reeks nieuwe en innovatieve toepassingen. De zeer lage Young's modulus komt overeen met die van menselijk bot, waardoor het een veel beter materiaal is voor medische toepassingen als implantaten, bijvoorbeeld. Het vermogen om extreem grote elastische spanningen te produceren en te behouden, biedt ook een ongekende kans voor "elastische spanningstechniek", wat zou kunnen leiden tot verbeteringen in veel functionele eigenschappen van vaste materialen, zoals elektronische, opto-elektronisch, piëzo-elektrisch, piëzomagnetisch, fotokatalytische en chemische detectie-eigenschappen.

"Een transformerend metalen nanocomposiet met grote elastische spanning, Lage modulus en hoge sterkte" is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .