Atoomdetails in 3D van legeringen van de volgende generatie onthuld voor het eerst op europahoy.news

Legeringen, materialen zoals staal die worden verkregen door twee of meer metalen elementen te combineren, behoren tot de pijlers van het hedendaagse leven. Ze zijn essentieel voor gebouwen, transport, apparaten en gereedschappen, inclusief hoogstwaarschijnlijk het apparaat dat je gebruikt om dit verhaal te lezen. Bij het toepassen van legeringen zijn ingenieurs geconfronteerd met een oude afweging die bij de meeste materialen voorkomt: harde legeringen zijn vaak bros en breken onder spanning, terwijl legeringen die flexibel zijn onder spanning de neiging hebben gemakkelijk te deuken.

De atomaire kaart van een nanodeeltje van een legering met een hoge entropie toont verschillende elementcategorieën in rood, blauw en groen, en twinninggrenzen in geel. Afbeelding tegoed: Miao Lab/UCLA

Mogelijkheden om die afweging te vermijden ontstonden ongeveer twintig jaar geleden, toen onderzoekers voor het eerst legeringen met een gemiddelde en hoge entropie ontwikkelden, stabiele materialen die taaiheid en flexibiliteit combineren op een manier die conventionele legeringen niet doen. (De ‘entropie’ in de naam geeft aan hoe wanordelijk de vermenging van elementen in legeringen is.)

Nu heeft een door de UCLA geleid onderzoeksteam ongekend inzicht gegeven in de structuur en kenmerken van legeringen met gemiddelde en hoge entropie. Met behulp van een geavanceerde beeldvormingstechniek heeft het team voor het eerst de driedimensionale atoomcoördinaten van dergelijke legeringen in kaart gebracht. In een andere wetenschappelijke primeur voor welk materiaal dan ook, brachten de onderzoekers de vermenging van elementen in verband met structurele defecten.

« Legeringen met een gemiddelde en hoge entropie zijn eerder op atomaire schaal in beeld gebracht in 2D-projecties, maar deze studie is de eerste keer dat hun atomaire orde in 3D rechtstreeks is waargenomen », zegt corresponderende auteur Jianwei « John » Miao, hoogleraar natuurkunde aan Hij UCLA Universiteit en lid van de Californië Nanosystems Instituut aan de UCLA. « We hebben een nieuwe knop gevonden waaraan kan worden gedraaid om de hardheid en flexibiliteit van de legeringen te vergroten. »

Legeringen met gemiddelde entropie combineren drie of vier metalen in ongeveer gelijke hoeveelheden; Legeringen met een hoge entropie combineren vijf of meer op dezelfde manier. Conventionele legeringen daarentegen bestaan ​​meestal uit één metaal, terwijl andere in kleinere verhoudingen worden gemengd. (Roestvrij staal kan bijvoorbeeld driekwart of meer ijzer bevatten.)

Om de bevindingen van de wetenschappers te begrijpen, moet je denken aan een smid die een zwaard smeedt. Dat werk wordt geleid door het contra-intuïtieve feit dat kleine structurele defecten metalen en legeringen feitelijk sterker maken. Terwijl de smid herhaaldelijk een zachte, flexibele metalen staaf verwarmt totdat deze glanst en deze vervolgens in water dooft, stapelen zich structurele defecten op die ertoe bijdragen dat de staaf in een onbreekbaar zwaard verandert.

Miao en zijn collega’s concentreerden zich op een type structureel defect dat de dubbele limiet wordt genoemd en waarvan wordt aangenomen dat het een sleutelfactor is in de unieke combinatie van hardheid en flexibiliteit van legeringen met gemiddelde en hoge entropie. Twinning vindt plaats wanneer spanning ervoor zorgt dat een deel van een kristallijne matrix diagonaal buigt terwijl de atomen eromheen in hun oorspronkelijke configuratie blijven en spiegelbeelden vormen aan weerszijden van de grens.

De onderzoekers gebruikten verschillende metalen om nanodeeltjes te maken, zo klein dat ze in miljardsten van een meter gemeten kunnen worden. Zes nanodeeltjes van medium-entropie-legeringen combineerden nikkel, palladium en platina. Vier nanodeeltjes van een legering met een hoge entropie combineerden kobalt, nikkel, ruthenium, rhodium, palladium, zilver, iridium en platina.

Het proces om deze legeringen te maken lijkt op een extreme (en extreem snelle) versie van de taak van de smid. De wetenschappers maakten het metaal gedurende vijfhonderdste van een seconde vloeibaar bij meer dan 2000 graden Fahrenheit en koelden het vervolgens af in minder dan een tiende van die tijd. Het idee is om de vaste legering in hetzelfde gevarieerde mengsel van elementen te fixeren als een vloeistof. Onderweg veroorzaakte de impact van het proces dubbele grenzen in zes van de tien nanodeeltjes; Vier van hen hadden elk een tweeling.

Voor het identificeren van de defecten was een beeldvormingstechniek nodig die de onderzoekers ontwikkelden, genaamd atomaire elektronentomografie. De techniek maakt gebruik van elektronen omdat de details op atomair niveau veel kleiner zijn dan de golflengten van zichtbaar licht. De resulterende gegevens kunnen in 3D in kaart worden gebracht omdat er meerdere afbeeldingen worden vastgelegd terwijl een monster wordt geroteerd. Het verfijnen van atomaire elektronentomografie om de complexe metaalmengsels in kaart te brengen was een moeizame inspanning.

“Ons doel is om de waarheid in de natuur te vinden en onze metingen moeten zo nauwkeurig mogelijk zijn”, zegt Miao, tevens adjunct-directeur van de STROBE National Science Foundation Science and Technology Center. “We werkten langzaam en verlegden de grenzen om elke stap van het proces zo perfect mogelijk te maken, en daarna gingen we verder met de volgende.”

De wetenschappers brachten elk atoom in de nanodeeltjes van de medium-entropielegering in kaart. Sommige metalen in de legering met een hoge entropie leken qua grootte te veel op elkaar om ze met elektronenmicroscopie van elkaar te kunnen onderscheiden. Vervolgens groepeerde de kaart van die nanodeeltjes de atomen in drie categorieën.

De onderzoekers merkten op dat hoe meer atomen van verschillende elementen (of verschillende categorieën elementen) worden gemengd, hoe waarschijnlijker het is dat de legeringsstructuur zal veranderen op een manier die helpt de hardheid gelijk te maken met flexibiliteit. De bevindingen zouden het ontwerp van legeringen met een gemiddelde en hoge entropie met een grotere duurzaamheid kunnen ondersteunen en zelfs potentiële eigenschappen kunnen ontsluiten die momenteel niet worden aangetroffen in staal en andere conventionele legeringen door het mengsel van bepaalde elementen te ontwerpen.

« Het probleem met het bestuderen van defecte materialen is dat je elk afzonderlijk defect afzonderlijk moet bekijken om echt te weten hoe het de omringende atomen beïnvloedt », zegt co-auteur Peter Ercius, een wetenschapper aan de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory. “Atomische elektronentomografie is de enige techniek met de resolutie om dit te doen. « Het is gewoon verbazingwekkend dat we op deze schaal gemengde atomaire arrangementen in zulke kleine objecten kunnen zien. »

Miao en zijn collega’s ontwikkelen nu een nieuwe beeldvormingsmethode die atomaire elektronenmicroscopie combineert met een techniek om de samenstelling van een monster te identificeren op basis van de fotonen die het uitzendt, om onderscheid te maken tussen metalen met atomen van vergelijkbare grootte. Ze ontwikkelen ook manieren om massieve legeringen met gemiddelde en hoge entropie te onderzoeken en de fundamentele relaties tussen hun structuren en eigenschappen te begrijpen.

Hij Het onderzoek werd op 20 december gepubliceerd. in het tijdschrift Nature.

De co-auteurs van de studie zijn Saman Moniri, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de UCLA; Yao Yang, die in 2021 promoveerde aan de UCLA; en Jun Ding van de Xi’an Jiaotong Universiteit in China. Andere co-auteurs zijn UCLA postdoctorale wetenschappers Yuxuan Liao; voormalige UCLA postdoctorale fellows Yakun Yuan, Jihan Zhou, Long Yang en Fan Zhu; en Yonggang Yao en Liangbing Hu van de Universiteit van Maryland, College Park.

Het onderzoek werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie. Het experiment werd uitgevoerd in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, eveneens gesponsord door de DOE.

Fontein: UCLA