Uordnede materialer kan være hårdest, mest varmetolerante karbider

Materialeforskere ved Duke University og UC San Diego har opdaget en ny klasse af karbider, der forventes at være blandt de hårdeste materialer med de højeste smeltepunkter, der findes. Lavet af billige metaller, de nye materialer kan snart finde anvendelse i en lang række industrier fra maskiner og hardware til rumfart.

Et carbid er traditionelt en forbindelse bestående af kulstof og et andet grundstof. Når parret med et metal som titanium eller wolfram, det resulterende materiale er ekstremt hårdt og svært at smelte. Dette gør karbider ideelle til applikationer såsom belægning af overfladen af ​​skærende værktøjer eller dele af et rumfartøj.

Der findes også et lille antal komplekse karbider, der indeholder tre eller flere grundstoffer, men findes ikke almindeligt uden for laboratoriet eller i industrielle applikationer. Dette skyldes for det meste vanskelighederne med at afgøre, hvilke kombinationer der kan danne stabile strukturer, endsige have ønskværdige egenskaber.

Et hold af materialeforskere ved Duke University og UC San Diego har nu annonceret opdagelsen af ​​en ny klasse af carbider, der forbinder kulstof med fem forskellige metalliske elementer på én gang. Resultaterne vises online den 27. november i tidsskriftet Naturkommunikation .

At opnå stabilitet fra den kaotiske blanding af deres atomer snarere end en velordnet atomstruktur, disse materialer blev beregningsmæssigt forudsagt at eksistere af forskerne ved Duke University og blev derefter syntetiseret med succes ved UC San Diego.

"Disse materialer er hårdere og lettere i vægt end nuværende karbider, " sagde Stefano Curtarolo, professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke. "De har også meget høje smeltepunkter og er lavet af relativt billige materialeblandinger. Denne kombination af egenskaber burde gøre dem meget anvendelige til en bred vifte af industrier."

Når elever lærer om molekylære strukturer, de er vist krystaller som salt, som minder om et 3-D skakternet. Disse materialer opnår deres stabilitet og styrke gennem regelmæssig, ordnede atombindinger, hvor atomerne passer sammen som brikker af et puslespil.

Ufuldkommenheder i en krystallinsk struktur, imidlertid, kan ofte tilføje styrke til et materiale. Hvis revner begynder at forplante sig langs en linje af molekylære bindinger, for eksempel, en gruppe af fejljusterede strukturer kan stoppe den i sine spor. Hærdning af faste metaller ved at skabe den perfekte mængde uorden opnås gennem en proces med opvarmning og bratkøling kaldet udglødning.

Den nye klasse af femmetalkarbider tager denne idé til næste niveau. Forsvinder enhver afhængighed af krystallinske strukturer og bindinger for deres stabilitet, disse materialer er fuldstændig afhængige af uorden. Mens en bunke baseballs ikke vil stå af sig selv, en bunke baseballs, sko, flagermus, hatte og handsker bare måske.

Vanskeligheden ligger i at forudsige, hvilken kombination af elementer der vil stå fast. At prøve at lave nye materialer er dyrt og tidskrævende. Beregning af atomare interaktioner gennem simuleringer af første princip er endnu mere. Og med fem pladser til metalliske elementer og 91 at vælge imellem, antallet af potentielle opskrifter bliver hurtigt skræmmende.

"For at finde ud af, hvilke kombinationer der vil blandes godt, du skal lave en spektralanalyse baseret på entropi, " sagde Pranab Sarker, en postdoc i Curtarolos laboratorium og en af ​​de første forfattere af papiret. "Entropi er utroligt tidskrævende og svært at beregne ved at bygge en model atom-for-atom. Så vi prøvede noget andet."

Holdet indsnævrede først feltet af ingredienser til otte metaller, der er kendt for at skabe carbidforbindelser med høj hårdhed og smeltetemperaturer. De beregnede derefter, hvor meget energi det ville tage for et potentielt femmetalcarbid at danne et stort sæt tilfældige konfigurationer.

Hvis resultaterne var spredt langt fra hinanden, det indikerede, at kombinationen sandsynligvis ville favorisere en enkelt konfiguration og falde fra hinanden - som at have for mange baseballs i blandingen. Men hvis der var mange konfigurationer tæt klumpet sammen, det indikerede, at materialet sandsynligvis ville danne mange forskellige strukturer på én gang, giver den lidelse, der er nødvendig for strukturel stabilitet.

Gruppen testede derefter sin teori ved at få kollega Kenneth Vecchio, professor i nanoingeniør ved UC San Diego, at forsøge at lave ni af forbindelserne. Dette blev gjort ved at kombinere elementerne i hver opskrift i en fint pulveriseret form, presse dem ved temperaturer op til 4, 000 grader Fahrenheit og kører 2000 ampere strøm direkte gennem dem.

"At lære at behandle disse materialer var en vanskelig opgave, " sagde Tyler Harrington, en ph.d. studerende i Vecchios laboratorium og medforfatter af papiret. "De opfører sig anderledes end noget andet materiale, vi nogensinde har beskæftiget os med, selv de traditionelle karbider."

De valgte de tre opskrifter, som deres system anså for at danne et stabilt materiale, de to mindst sandsynlige, og fire tilfældige kombinationer, der scorede imellem. Som forudsagt, de tre mest sandsynlige kandidater var succesfulde, mens de to mindst sandsynlige ikke var. Tre af de fire mellemscorere dannede også stabile strukturer. Mens de nye carbider sandsynligvis alle har ønskværdige industrielle egenskaber, en usandsynlig kombination skilte sig ud - en kombination af molybdæn, niobium, tantal, vanadium og wolfram kaldet MoNbTaVWC5 for kort.

"At få dette sæt af elementer til at kombinere er dybest set som at prøve at presse en masse firkanter og sekskanter sammen, sagde Cormac Toher, en assisterende forskningsprofessor i Curtarolos laboratorium. "For at gå på intuition alene, du ville aldrig tro, at den kombination ville være mulig. Men det viser sig, at de bedste kandidater faktisk er kontraintuitive."

"Vi kender ikke dens nøjagtige egenskaber endnu, fordi den ikke er blevet fuldt testet, " sagde Curtarolo. "Men når vi først får det ind i laboratoriet inden for de næste par måneder, Jeg ville ikke blive overrasket, hvis det viste sig at være det hårdeste materiale med det højeste smeltepunkt, der nogensinde er lavet."

"Dette samarbejde er et team af forskere, der fokuserer på at demonstrere de unikke og potentielt paradigmeændrende implikationer af denne nye tilgang, " sagde Vecchio. "Vi bruger innovative tilgange til modellering med de første principper kombineret med state-of-the-art syntese- og karakteriseringsværktøjer for at levere den integrerede 'closed-loop'-metode, der er så nødvendig for avanceret materialeopdagelse."