Shkencëtarët publikuan studimin për materialin më të fortë në Tokë

Shkencëtarët kanë matur rezistencën më të lartë të regjistruar ndonjëherë, të çdo materiali, ndërsa hetuan një aliazh metalik të bërë nga kromi, kobalti dhe nikeli (CrCoNi). Jo vetëm që metali është jashtëzakonisht duktil – që, në shkencën e materialeve, do të thotë shumë i lakueshëm – dhe mbresëlënës i fortë (që do të thotë se i reziston deformimit të përhershëm), forca dhe duktiliteti i tij përmirësohen ndërsa bëhet më i ftohtë. Kjo bie ndesh me shumicën e materialeve të tjera që ekzistojnë.

Ekipi, i udhëhequr nga studiues nga Laboratori Kombëtar Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) dhe Oak Ridge National Laboratory, publikoi një studim që përshkruan gjetjet e tyre rekorde në revistën Science më 1 dhjetor 2022.

“Kur projektoni materiale strukturore, dëshironi që ato të jenë të forta, por edhe të duktueshme dhe rezistente ndaj thyerjeve,” tha bashkëdrejtuesi i projektit Easo George, Kryetari i Guvernatorit për Teorinë dhe Zhvillimin e Avancuar të Aliazheve në ORNL dhe Universitetin e Tenesit. “Në mënyrë tipike, është një kompromis mes këtyre pronave. Por ky material është të dyja, dhe në vend që të bëhet i brishtë në temperatura të ulëta, bëhet më i fortë.”

CrCoNi është një nëngrup i një klase metalesh të quajtura lidhje me entropinë e lartë (HEA). Të gjitha lidhjet në përdorim sot përmbajnë një përqindje të lartë të një elementi me sasi më të ulët të elementeve shtesë të shtuara, por HEA-të janë bërë nga një përzierje e barabartë e secilit element përbërës. Këto receta të balancuara atomike duket se u japin disa prej këtyre materialeve një kombinim jashtëzakonisht të lartë të forcës dhe duktilitetit kur stresohen, të cilat së bashku përbëjnë atë që quhet “rezistencë”. HEA-të kanë qenë një zonë e nxehtë kërkimi që kur u zhvilluan për herë të parë rreth 20 vjet më parë, por teknologjia e kërkuar për të çuar materialet në kufijtë e tyre në teste ekstreme nuk ishte e disponueshme deri vonë.

“Rezistenca e këtij materiali pranë temperaturave të heliumit të lëngshëm (20 kelvin, -424 °F) është aq e lartë sa 500 megapaskale metër katror rrënjë. Në të njëjtat njësi, qëndrueshmëria e një pjese silikoni është një, korniza e aluminit në aeroplanët e pasagjerëve është rreth 35, dhe qëndrueshmëria e disa prej çeliqeve më të mirë është rreth 100. Pra, 500, është një numër marramendës, “tha hulumtimi. bashkë-udhëheqës Robert Ritchie, një shkencëtar i lartë i fakultetit në Divizionin e Shkencave Materiale të Berkeley Lab dhe profesor Chua i Inxhinierisë në UC Berkeley.

Ritchie dhe George filluan të eksperimentojnë me CrCoNi dhe një aliazh tjetër që përmban gjithashtu mangan dhe hekur (CrMnFeCoNi) gati një dekadë më parë. Ata krijuan mostra të lidhjeve më pas ulën materialet në temperatura të azotit të lëngshëm (rreth 77 kelvin, ose -321 °F) dhe zbuluan forcë dhe qëndrueshmëri mbresëlënëse. Ata menjëherë donin të ndiqnin punën e tyre me teste në intervalet e temperaturës së heliumit të lëngshëm, por gjetjen e objekteve që do të mundësonin mostrat e testimit të stresit në një mjedis kaq të ftohtë dhe rekrutimin e anëtarëve të ekipit me mjetet analitike dhe përvojën e nevojshme për të analizuar atë që ndodh në material në një nivel atomik mori 10 vitet e ardhshme. Fatmirësisht, rezultatet ia vlenin të prisnin.

Shumë substanca të ngurta, duke përfshirë metalet, ekzistojnë në një formë kristalore të karakterizuar nga një model atomik i përsëritur 3D, i quajtur një qelizë njësi, që përbën një strukturë më të madhe të quajtur grilë. Forca dhe qëndrueshmëria e materialit, ose mungesa e tyre, vijnë nga vetitë fizike të grilës. Asnjë kristal nuk është i përsosur, kështu që qelizat e njësisë në një material do të përmbajnë në mënyrë të pashmangshme “defekte”, një shembull i spikatur janë dislokimet – kufijtë ku rrjeta e padeformuar takohet me rrjetën e deformuar. Kur forca ushtrohet në material – mendoni, për shembull, të përkulni një lugë metalike – ndryshimi i formës realizohet nga lëvizja e dislokimeve nëpër grilë. Sa më lehtë të jetë lëvizja e dislokimeve, aq më i butë është materiali. Por nëse lëvizja e dislokimeve bllokohet nga pengesat në formën e parregullsive të rrjetës, atëherë kërkohet më shumë forcë për të lëvizur atomet brenda dislokimit dhe materiali bëhet më i fortë. Nga ana tjetër, pengesat zakonisht e bëjnë materialin më të brishtë – të prirur ndaj plasaritjes.

Duke përdorur difraksionin e neutronit, difraksionin e kthimit të elektroneve dhe mikroskopin elektronik të transmetimit, Ritchie, George dhe kolegët e tyre në Berkeley Lab, Universiteti i Bristol, Laboratori Rutherford Appleton dhe Universiteti i Uellsit të Ri Jugor ekzaminuan strukturat e rrjetës së mostrave CrCoNi që ishin thyer në temperaturën e dhomës dhe 20 K. (Për matjen e forcës dhe duktilitetit, një ekzemplar metalik i pacenuar tërhiqet derisa të thyhet, ndërsa për testet e rezistencës ndaj thyerjes, një çarje e mprehtë futet qëllimisht në kampion përpara se të tërhiqet dhe stresi i nevojshëm për t’u rritur më pas matet plasaritja.)

Imazhet dhe hartat atomike të krijuara nga këto teknika zbuluan se qëndrueshmëria e aliazhit është për shkak të një treshe pengesash zhvendosjeje që hyjnë në fuqi në një mënyrë të veçantë kur forca aplikohet në material. Së pari, zhvendosjet në lëvizje bëjnë që zonat e kristalit të rrëshqasin larg zonave të tjera që janë në plane paralele. Kjo lëvizje zhvendos shtresat e qelizave njësi në mënyrë që modeli i tyre të mos përputhet më në drejtimin pingul me lëvizjen e rrëshqitjes, duke krijuar një lloj pengese. Forca e mëtejshme në metal krijon një fenomen të quajtur nanotwinning, ku zonat e grilës formojnë një simetri të pasqyruar me një kufi në mes. Së fundi, nëse forcat vazhdojnë të veprojnë në metal, energjia që futet në sistem ndryshon rregullimin e vetë qelizave të njësisë, me atomet CrCoNi që kalojnë nga një kristal kub me qendër në fytyrë në një rregullim tjetër të njohur si paketim i ngushtë gjashtëkëndor.

Kjo sekuencë e ndërveprimeve atomike siguron që metali të vazhdojë të rrjedhë, por gjithashtu vazhdon të përballet me rezistencë të re nga pengesat shumë larg pikës që shumica e materialeve shkëputen nga tendosja. “Pra, ndërsa po e tërheqni, fillon mekanizmi i parë dhe më pas fillon i dyti, dhe më pas fillon i treti dhe më pas i katërti,” shpjegoi Ritchie. “Tani, shumë njerëz do të thonë, mirë, ne kemi parë nanotwinning në materiale të rregullta, kemi parë rrëshqitje në materiale të rregullta. Kjo është e vërtetë. Nuk ka asgjë të re për këtë, por është fakti që ato ndodhin të gjitha në këtë sekuencë magjike që na jep këto veti vërtet të jashtëzakonshme.”

Gjetjet e reja të ekipit, të marra me punë të tjera të kohëve të fundit mbi HEA, mund të detyrojnë komunitetin e shkencës së materialeve të rishqyrtojë nocionet e mbajtura prej kohësh rreth asaj se si karakteristikat fizike krijojnë performancë. “Është argëtuese sepse metalurgët thonë se struktura e një materiali përcakton vetitë e tij, por struktura e NiCoCr është më e thjeshta që mund të imagjinoni – janë thjesht kokrra”, tha Ritchie. “Megjithatë, kur e deformoni atë, struktura bëhet shumë e ndërlikuar dhe kjo zhvendosje ndihmon në shpjegimin e rezistencës së saj të jashtëzakonshme ndaj thyerjes,” shtoi bashkëautori Andrew Minor, drejtor i Qendrës Kombëtare të Mikroskopit Elektronik të Fondry Molecular në Berkeley Lab dhe. Profesor i Shkencës dhe Inxhinierisë së Materialeve në UC Berkeley. “Ne ishim në gjendje të vizualizonim këtë transformim të papritur për shkak të zhvillimit të detektorëve të shpejtë të elektroneve në mikroskopët tanë elektronikë, të cilët na lejojnë të dallojmë midis llojeve të ndryshme të kristaleve dhe të përcaktojmë defektet brenda tyre në rezolucionin e një nanometri të vetëm – gjerësia e vetëm disa atome – që siç rezulton, është sa përmasat e defekteve në strukturën e deformuar të NiCoCr.”

Lidhja CrMnFeCoNi u testua gjithashtu në 20 kelvin dhe performoi në mënyrë mbresëlënëse, por nuk arriti të njëjtën rezistencë si aliazhi më i thjeshtë CrCoNi.

Tani që funksionimi i brendshëm i lidhjes CrCoNi është kuptuar më mirë, ai dhe HEA-të e tjerë janë një hap më afër miratimit për aplikime të veçanta. Megjithëse këto materiale janë të shtrenjta për t’u krijuar, George parashikon përdorime në situata ku ekstremet mjedisore mund të shkatërrojnë lidhjet standarde metalike, të tilla si në temperaturat e ftohta të hapësirës së thellë. Ai dhe ekipi i tij në Oak Ridge po hetojnë gjithashtu se si lidhjet e bëra nga elementë më të bollshëm dhe më pak të shtrenjtë – ka një mungesë globale të kobaltit dhe nikelit për shkak të kërkesës së tyre në industrinë e baterive – mund të nxiten të kenë veti të ngjashme.

Megjithëse përparimi është emocionues, Ritchie paralajmëron se përdorimi në botën reale mund të jetë ende i pamundur, për arsye të mirë. “Kur jeni duke fluturuar në një aeroplan, a dëshironi të dini se ajo që ju shpëton nga rënia 40,000 këmbë është një aliazh i kornizës së avionit që u zhvillua vetëm disa muaj më parë? Apo dëshironi që materialet të jenë të pjekura dhe të kuptueshme mirë? Kjo është arsyeja pse materialeve strukturore mund të duhen shumë vite, madje edhe dekada, për t’u përdorur realisht.”