Naučnici su izmjerili najveću otpornost ikada zabelježenu, bilo kog materijala, dok su istraživali metalnu leguru napravljenu od hroma, kobalta i nikla (CrCoNi). Ne samo da je metal izuzetno duktilan – što u nauci o materijalima znači veoma savitljiv – i impresivno jak (što znači da je otporan na trajnu deformaciju), njegova snaga i duktilnost se poboljšavaju kako postaje hladnije. Ovo je u suprotnosti sa većinom drugih postojećih materijala.
Tim, predvođen istraživačima iz Nacionalne laboratorije Lorens Berkli (Berkli Laboratorija) i Nacionalne laboratorije Oak Ridž, objavio je studiju u kojoj su opisana njihova rekordna otkrića u Nauci.
„Kada dizajnirate strukturne materijale, želite da budu jaki, ali i duktilni i otporni na lom“, rekao je ko-voditelj projekta Easo George, guvernerova katedra za naprednu teoriju i razvoj legura na ORNL-u i Univerzitetu u Tenesiju. „Uobičajeno, to je kompromis između ovih svojstava. Ali ovaj materijal je oboje, i umesto da postane krt na niskim temperaturama, postaje čvršći.“
CrCoNi je podskup klase metala zvanih legure visoke entropije (HEA). Sve legure koje se danas koriste sadrže visok udeo jednog elementa sa manjim količinama dodatih dodatnih elemenata, ali HEA su napravljene od jednake mešavine svakog sastavnog elementa.
Čini se da ovi izbalansirani atomski recepti daju nekim od ovih materijala izuzetno visoku kombinaciju snage i duktilnosti kada su napregnuti, što zajedno čini ono što se naziva „žilavost“. HEA su bila vruća oblast istraživanja otkako su prvi put razvijeni pre oko 20 godina, ali tehnologija potrebna da se materijali dovedu do svojih granica u ekstremnim testovima nije bila dostupna do nedavno.
„Žilavost ovog materijala blizu temperatura tečnog helijuma (20 Kelvina, -424 Farenhajta) je čak 500 megapaskala kvadratnih metara korena. U istim jedinicama, žilavost komada silicijuma je jedan, aluminijumski okvir aviona u putničkim avionima je oko 35, a žilavost nekih od najboljih čelika je oko 100. Dakle, 500, to je zapanjujuća brojka“, rekao je ko-vođa istraživanja Robert Riči, viši naučnik fakulteta u Odeljenju za nauke o materijalima u laboratoriji Berkli i profesor inženjerstva Chua na UC Berkelei.
Riči i Džordž su počeli da eksperimentišu sa CrCoNi i drugom legurom koja takođe sadrži mangan i gvožđe (CrMnFeCoNi) pre skoro deceniju. Napravili su uzorke legura, a zatim su materijale spustili na temperature tečnog azota (oko 77 Kelvina ili -321 F) i otkrili impresivnu snagu i žilavost.
Odmah su hteli da nastave svoj rad testovima na temperaturnim rasponima tečnog helijuma, ali pronalaženje objekata koji bi omogućili testiranje uzoraka na stres u tako hladnom okruženju i regrutovanje članova tima sa analitičkim alatima i iskustvom potrebnim da analiziraju šta se dešava u materijalu na atomskom nivou je trebalo narednih 10 godina. Srećom, rezultati su bili vredni čekanja.
Zavirivši u kristal
Mnoge čvrste supstance, uključujući metale, postoje u kristalnoj formi koju karakteriše ponavljajući 3-D atomski uzorak, nazvan jedinična ćelija, koja čini veću strukturu koja se zove rešetka. Snaga i žilavost materijala, ili nedostatak istih, potiču od fizičkih svojstava rešetke.
Nijedan kristal nije savršen, tako da će jedinične ćelije u materijalu neizbežno sadržati „defekte“, istaknuti primer su dislokacije – granice gde se nedeformisana rešetka susreće sa deformisanom rešetkom. Kada se sila primeni na materijal – pomislite, na primer, o savijanju metalne kašike – promena oblika se postiže kretanjem dislokacija kroz rešetku.
Što se dislokacije lakše pomeraju, to je materijal mekši. Ali ako je kretanje dislokacija blokirano preprekama u vidu nepravilnosti rešetke, tada je potrebna veća sila da bi se atomi u dislokaciji pomerili i materijal postaje jači. Sa druge strane, prepreke obično čine materijal krhkim – sklonijim pucanju.
Koristeći neutronsku difrakciju, difrakciju povratnog rasejanja elektrona i transmisionu elektronsku mikroskopiju, Riči, Džordž i njihove kolege sa Berkli laboratorije, Univerziteta u Bristolu, laboratorije Rutherford Appleton i Univerziteta Novog Južnog Velsa ispitali su rešetkaste strukture uzoraka CrCoNi koji su bili polomljen na sobnoj temperaturi i 20 K. (Za merenje čvrstoće i duktilnosti, netaknuti metalni uzorak se vuče sve dok se ne slomi, dok se za ispitivanje žilavosti loma, oštra pukotina namerno unosi u uzorak pre nego što se izvuče i naprezanje potrebno za rast tada se meri pukotina.)
Slike i atomske mape generisane ovim tehnikama otkrile su da je žilavost legure posledica triju dislokacijskih prepreka koje stupaju na snagu određenim redosledom kada se sila primeni na materijal. Prvo, pokretne dislokacije uzrokuju da oblasti kristala klize od drugih oblasti koje su u paralelnim ravnima.
Ovaj pokret pomera slojeve jediničnih ćelija tako da se njihov obrazac više ne poklapa u pravcu koji je okomit na pokret klizanja, stvarajući vrstu prepreke. Dalja sila na metal stvara fenomen koji se zove nanotvinning, pri čemu oblasti rešetke formiraju simetriju u ogledalu sa granicom između.
Konačno, ako sile nastave da deluju na metal, energija koja se stavlja u sistem menja raspored samih jediničnih ćelija, pri čemu se atomi CrCoNi prebacuju sa kubnog kristala sa licem u centar u drugi raspored poznat kao heksagonalno blisko pakovanje.
Ova sekvenca atomskih interakcija osigurava da metal nastavi da teče, ali i da se susreće sa novim otporom od prepreka daleko iznad tačke u kojoj većina materijala puca od naprezanja. „Dakle, dok ga vučete, pokreće se prvi mehanizam pa drugi, pa počinje treći, pa četvrti“, objasnio je Riči.
„Sada će mnogi ljudi reći, pa, videli smo nanotvinning u običnim materijalima, videli smo proklizavanje u običnim materijalima. To je tačno. Nema ništa novo u tome, ali činjenica je da se svi oni dešavaju u ovom magičnom nizu. to nam daje ova zaista ogromna svojstva.“
Novi nalazi tima, uzeti sa drugim nedavnim radovima na HEA, mogu naterati zajednicu nauke o materijalima da preispita dugotrajne ideje o tome kako fizičke karakteristike dovode do performansi. „Zabavno je jer metalurzi kažu da struktura materijala definiše njegova svojstva, ali struktura NiCoCr je najjednostavnija koju možete zamisliti – to su samo zrna“, rekao je Riči.
„Međutim, kada je deformišete, struktura postaje veoma komplikovana, a ova promena pomaže da se objasni njena izuzetna otpornost na lom“, dodao je koautor Endrju Majnor, direktor ustanove Nacionalnog centra za elektronsku mikroskopiju u livnici molekula u laboratoriji Berkli i Profesor nauke o materijalima i inženjerstva na UC Berkelei.
„Uspeli smo da vizuelizujemo ovu neočekivanu transformaciju zbog razvoja brzih detektora elektrona u našim elektronskim mikroskopima, koji nam omogućavaju da razlikujemo različite tipove kristala i kvantifikujemo defekte unutar njih u rezoluciji od jednog nanometra – širine samo nekoliko atoma – što je, kako se ispostavilo, otprilike veličine defekata u deformisanoj strukturi NiCoCr.“
CrMnFeCoNi legura je takođe testirana na 20 Kelvina i pokazala se impresivno, ali nije postigla istu žilavost kao jednostavnija legura CrCoNi.
Kovanje novih proizvoda
Sada kada je unutrašnje delovanje legure CrCoNi bolje shvaćeno, ona i drugi HEA su korak bliže usvajanju za specijalne primene. Iako su ovi materijali skupi za stvaranje, Džordž predviđa upotrebu u situacijama kada bi ekstremi životne sredine mogli da unište standardne metalne legure, kao što je na hladnim temperaturama dubokog svemira.
On i njegov tim u Oak Ridge-u takođe istražuju kako legure napravljene od bogatijih i jeftinijih elemenata – postoji globalna nestašica kobalta i nikla zbog njihove potražnje u industriji baterija – mogu biti naterane da imaju slična svojstva.
Iako je napredak uzbudljiv, Riči upozorava da bi stvarna upotreba i dalje mogla biti daleko, s dobrim razlogom. „Kada letite avionom, da li biste želeli da znate da je ono što vas spasava od pada sa visine od 40.000 stopa legura aviona koja je razvijena tek pre nekoliko meseci? Ili biste želeli da materijali budu zreli i dobro razumljivi? Zato strukturalnim materijalima može biti potrebno mnogo godina, čak i decenija, da uđu u stvarnu upotrebu.“
