Dokonalá slitina 100krát tvrdší než Grafen

12/02/2023 Adam Walko 4 min read 296 Zobrazení dokonalá slitina, extrémní teploty, tvrdší, zlom

metal, pattern, sculpture — *Ilustrační fotografie*

Kovová slitina chrómu, kobaltu a niklu je více než 100krát tvrdší než grafen a stává se ještě odolnější vůči poškození při extrémně nízkých teplotách

Vědci prokázali, že kovová slitina chrómu, kobaltu a niklu je oficiálně nejtvrdším materiálem na Zemi a více než 100krát tvrdší než zázračný materiál grafen. V nové studii publikované 1. prosince v časopise Science, vědci podrobili ultrapevnou slitinu extrémně nízkým teplotám, aby otestovali, jak je materiál odolný proti zlomení.

Jak teploty klesaly, k překvapení týmu se slitina stala vůči prasklinám tvrdší a odolnější. Tato superodolnost vůči lomu je v ostrém kontrastu s většinou materiálů, které se podle autorů studie stávají křehčími pouze při teplotách pod bodem mrazu.

„Lidé mluví o houževnatosti grafenu, a ta se měří na pouhé 4 megapascaly na metr,“ , řekl Live Science spoluautor studie Robert Ritchie, profesor inženýrství na Kalifornské univerzitě v Berkeley a vedoucí vědecký pracovník z Lawrence Berkeley National Laboratory. „Houževnatost hliníkových slitin používaných v letadlech je 35 megapascalů na metr. Tento materiál má houževnatost 450 až 500 megapascalů na metr… to jsou ohromující čísla.“

Potenciální aplikace tak houževnatého materiálu sahají od vesmírné infrastruktury až po nádoby odolné proti rozbití pro využití čisté energie zde na Zemi. Ritchie však poznamenal, že dva ze tří prvků slitiny (nikl a kobalt) jsou neúměrně drahé, což V dohledné budoucnosti omezuje použitelnost slitiny pro laboratoře.

Zvláštní slitina

Chrom, kobalt a nikl – je příkladem slitiny s vysokou entropií (HEA). Na rozdíl od většiny slitin, které jsou vyrobeny převážně z jednoho prvku s menším množstvím přidaných dalších prvků, jsou HEA vyrobeny ze stejné směsi každého základního prvku.

Tento HEA je extrémně tvárný nebo tažný, což ,podle autorů studie znamená, že se může ohnout pod tlakem, aby vydržel lámání. Díky několika zvláštnostem molekulární struktury slitiny je tak mimořádně tvárná. Jeden klíčový mechanismus například způsobuje, že se atomy ve slitině pod tlakem přemístí. To, spolu s různými dalšími mechanismy, umožňuje, aby se materiál neustále deformoval se zvyšujícím se tlakem, aniž by došlo k lámání.

„Každý z těchto mechanismů se spustí v pozdější fázi, když zvýšíte namáhání materiálu, a to je perfektní recept na vysokou houževnatost,“ dodal Ritchie. „Je pozoruhodné, že tyto mechanismy jsou účinnější při nižších teplotách.“

Vědci zpočátku testovali houževnatost slitiny tak, že ji vystavili kapalnému dusíku při teplotách kolem minus 196 stupňů Celsia. Když se houževnatost slitiny pouze zlepšila, tým přemýšlel o tom, jak daleko mohou limity materiálu posunout.

Dong Liu, fyzik z Bristolské univerzity v Anglii a jeho kolegové navrhli experiment, aby byla slitina vystavena kapalnému héliu, které se může ochladit na super-chladné teploty minus 253 °C. Tým poté sledoval, jak neutrony rozptylují materiál v procesu zvaném difrakce neutronů, aby nahlédli do struktury slitiny a viděli, jak se při zvýšení tlaku tvoří trhliny.

Experiment ukázal, že pokud jde o houževnatost, slitina vyfoukla grafen z vody.

„Grafen má velmi vysokou pevnost, ale nemá žádnou toleranci vůči poškození,“ řekl Liu Live Science. „Je velmi křehký a roztříští se stejně jako hrnek, který hodíte na podlahu a roztříští se na kousky.“

*Mikroskopické snímky ukazující cestu lomu a deformace krystalové struktury ve slitině kobaltu, chrómu a niklu během zátěžového testování při teplotě -424 stupňů F.*

Materiály budoucnosti

I když je zapotřebí více testů, než bude možné tento materiál prakticky použít, Liu je optimistický, že slitina by mohla být použita pro mnoho projektů, jak ve vesmíru, tak na Zemi. Například HEA by mohl být použit ve skladovacích kontejnerech vodíku, které by mohly snadněji učinit vozidla na vodíkový pohon šetrnější k životnímu prostředí.

„Pokud řídíte auto s vodíkovou nádobou vyrobenou z něčeho velmi křehkého, vezete s sebou v podstatě bombu,“ řekl Liu. „Ale ne s tímto materiálem.“

Ritchie je mezitím opatrný při navrhování potenciálních aplikací slitiny, protože přesun materiálu z laboratoře do „skutečného světa“ vyžaduje mnoho znalostí a času, zatímco náklady na nikl a kobalt zůstávají neúměrně vysoké. Zajímá se však o vývoj receptur na nové slitiny, které by mohly být stejně tvrdé, s použitím různých prvků.

„V periodické tabulce je 50 použitelných prvků,“ řekl Ritchie. „Kombinace tří, pěti nebo sedmi z nich znamená, že existují miliony nových slitin.“