Cercetătorii au descoperit cel mai dur material de pe Pământ

Oamenii de știință au descoperit cel mai dur material de pe Pământ în timp ce investigau un aliaj metalic format din crom, cobalt și nichel (CrCoNi).

Nu numai că metalul este extrem de ductil (ceea ce, în știința materialelor, înseamnă foarte maleabil) și impresionant de dur (ceea ce înseamnă că rezistă la deformarea permanentă), însă rezistența și ductilitatea sa se îmbunătățesc pe măsură ce materialul devine mai rece. Acest lucru este în contradicție cu majoritatea celorlalte materiale existente.

Echipa, condusă de cercetători de la Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) și Oak Ridge National Laboratory, ambele din SUA, a publicat în Science un studiu care descrie descoperirile lor record.

Cum a fost realizat cel mai dur material de pe Pământ?

„Când proiectezi materiale structurale, îți dorești ca acestea să facă să fie dure, dar și ductile și rezistente la fracturi. De obicei, este un compromis între aceste proprietăți. Dar acest material are ambele calități și, în loc să devină fragil la temperaturi scăzute, devine mai dur”, a declarat Easo George, de la Universitatea din Tennessee.

Cel mai dur material de pe Pământ, CrCoNi, este un subset al unei clase de metale numite aliaje cu entropie ridicată (HEA).

Toate aliajele utilizate astăzi conțin o proporție mare dintr-un element și cantități mai mici de elemente suplimentare, dar HEA-urile sunt făcute dintr-un amestec egal al fiecărui element constitutiv. Aceste rețete atomice echilibrate par să le confere unora dintre aceste materiale o combinație extraordinar de mare de rezistență și ductilitate atunci când sunt supuse la stres, care împreună alcătuiesc ceea ce se numește „duritate”.

Aliajele cu entropie ridicată

HEA au fost un domeniu fierbinte de cercetare de când au fost dezvoltate pentru prima dată, în urmă cu aproximativ 20 de ani, dar tehnologia necesară pentru a împinge materialele la limitele lor în teste extreme nu a fost disponibilă până de curând, scrie Eurek Alert.

„Rezistența acestui material în temperaturi apropiate de cele ale heliului lichid (20 Kelvin, -253°Celsius) este de până la 500 de megapascali. În aceleași unități, duritatea unei bucăți de siliciu este 1, structura de aluminiu a avioanelor de pasageri este de aproximativ 35, iar duritatea unora dintre cele mai bune oțeluri este de aproximativ 100. Așa că 500 este un număr uimitor”, a spus cercetătorul Robert Ritchie.

Ritchie și George au început să experimenteze cu CrCoNi și un alt aliaj care conține și mangan, și fier (CrMnFeCoNi) cu aproape un deceniu în urmă. Ei au creat mostre de aliaje, apoi au dus materialele la temperaturi de azot lichid (aproximativ 77 Kelvin, sau -196°C) și au descoperit o rezistență și o duritate impresionante.

Ei au dorit imediat să-și continue munca cu teste la intervale de temperatură ale heliului lichid, dar găsirea de laboratoare care să permită testarea probelor într-un mediu atât de rece și recrutarea de membri ai echipei cu instrumentele analitice și experiența necesare pentru a analiza ce se întâmplă în material la un nivel atomic a durat 10 ani. Din fericire, rezultatele au meritat așteptarea.

Cel mai dur material realizat vreodată ar putea schimba abordarea comunității științifice

Noile descoperiri ale echipei, împreună cu alte lucrări recente despre HEA, pot forța comunitatea științei materialelor să reconsidere noțiunile de lungă durată despre modul în care caracteristicile fizice dau naștere performanței.

„Este amuzant pentru că metalurgiștii spun că structura unui material îi definește proprietățile, dar structura NiCoCr este cea mai simplă pe care ți-o poți imagina, sunt doar granule”, a spus Ritchie.

„Cu toate acestea, atunci când o deformezi, structura devine foarte complicată, iar această schimbare ajută la explicarea rezistenței sale excepționale la fractură”, a adăugat coautorul Andrew Minor.

„Am reușit să vizualizăm această transformare neașteptată datorită dezvoltării detectoarelor rapide de electroni în microscoapele noastre electronice, care ne permit să discernem între diferite tipuri de cristale și să cuantificăm defectele din interiorul lor la rezoluția unui singur nanometru care, după cum se dovedește, este aproximativ dimensiunea defectelor din structura NiCoCr deformată”, a continuat Minor.

Va mai dura mult până când un astfel de material va fi folosit în viața de zi cu zi

Acum că funcționarea interioară a aliajului CrCoNi este mai bine înțeleasă, acesta și alte HEA sunt cu un pas mai aproape de adoptarea pentru aplicații speciale. Deși aceste materiale sunt costisitoare, George prevede utilizări în situații în care extremele mediului ar putea distruge aliajele metalice standard, cum ar fi în temperaturile reci din spațiul adânc.

El și echipa sa de la Oak Ridge investighează, de asemenea, modul în care aliajele făcute din elemente mai abundente și mai puțin costisitoare (există o penurie globală de cobalt și nichel din cauza cererii lor în industria bateriilor) ar putea fi convinse să aibă proprietăți similare.

Deși progresul este incitant, Ritchie avertizează că utilizarea în lumea reală ar putea fi încă departe, din motive întemeiate. „Când zbori cu avionul, ți-ar plăcea să știi că ceea ce te salvează de căderea de la 10.000 de metri este un aliaj de structură care a fost dezvoltat cu doar câteva luni în urmă? Sau ai vrea ca materialele să fie mature și bine înțelese? De aceea, materialele structurale pot avea nevoie de mulți ani, poate chiar zeci de ani, pentru a fi utilizate efectiv”, a concluzionat el.

Vă recomandăm să citiți și:

INTERVIU EXCLUSIV – Cea mai frumoasă hartă a Universului. Cum a fost creată și cum ne ajută?

NASA a ales compania care va construi avanposturi pe Lună. Cât valorează contractul?

Bandajul inteligent care poate monitoriza și vindeca rănile mai rapid

MeerKAT, radiotelescopul impresionant care ajută omenirea să caute viața extraterestră