Opfinder verdens stærkeste sølv

Et hold af forskere har lavet det stærkeste sølv nogensinde - 42 procent stærkere end den tidligere verdensrekord. Men det er ikke det vigtige punkt.

"Vi har opdaget en ny mekanisme, der virker på nanoskala, der gør det muligt for os at lave metaller, der er meget stærkere end noget, der nogensinde er lavet før - uden at miste nogen elektrisk ledningsevne, " siger Frederic Sansoz, en materialeforsker og maskiningeniørprofessor ved University of Vermont, der var med til at lede den nye opdagelse.

Dette grundlæggende gennembrud lover en ny kategori af materialer, der kan overvinde en traditionel afvejning i industrielle og kommercielle materialer mellem styrke og evne til at føre elektrisk strøm.

Holdets resultater blev offentliggjort den 23. september i tidsskriftet Naturmaterialer .

Genovervejer defekten

Alle metaller har defekter. Ofte fører disse defekter til uønskede egenskaber, som skørhed eller blødgøring. Dette har fået forskere til at skabe forskellige legeringer eller tunge blandinger af materiale for at gøre dem stærkere. Men efterhånden som de bliver stærkere, de mister elektrisk ledningsevne.

"Vi spurgte os selv, hvordan kan vi lave et materiale med defekter, men overvinde blødgøringen og samtidig bevare den elektriske ledningsevne, " sagde Morris Wang, en ledende videnskabsmand ved Lawrence Livermore National Laboratory og medforfatter af det nye studie.

Ved at blande en spormængde af kobber i sølvet, holdet viste, at det kan transformere to typer af iboende nanoskala defekter til en kraftfuld intern struktur. "Det er fordi urenheder er direkte tiltrukket af disse defekter, " forklarer Sansoz. Med andre ord, holdet brugte en kobberurenhed - en form for doping eller "mikrolegering", som forskerne stiler det - til at kontrollere adfærden af ​​defekter i sølv. Som en slags jiu-jitsu på atomare skala, videnskabsmændene vendte fejlene til deres fordel, bruge dem til både at styrke metallet og bevare dets elektriske ledningsevne.

For at gøre deres opdagelse, holdet – inklusive eksperter fra UVM, Lawrence Livermore National Lab, Ames Laboratory, Los Alamos National Laboratory og UCLA - startede med en grundlæggende idé om materialeteknik:efterhånden som størrelsen af ​​en krystal - eller et materialekorn - bliver mindre, det bliver stærkere. Forskere kalder dette Hall-Petch-forholdet. Dette generelle designprincip har gjort det muligt for forskere og ingeniører at bygge stærkere legeringer og avanceret keramik i over 70 år. Det fungerer meget godt.

Indtil det ikke gør det. Til sidst, når metalkorn når en uendeligt lille størrelse - under snesevis af nanometer brede - bliver grænserne mellem kornene ustabile og begynder at bevæge sig. Derfor, en anden kendt tilgang til at styrke metaller som sølv bruger nanoskala "kohærent tvillingegrænser, " som er en speciel type korngrænse. Disse strukturer af parrede atomer - der danner en symmetrisk spejllignende krystallinsk grænseflade - er overordentlig stærke til deformation. Bortset fra at disse tvillingegrænser, også, bliver bløde, når deres mellemrum falder under en kritisk størrelse på nogle få nanometer, på grund af ufuldkommenheder.

Ejendomme uden fortilfælde

Meget groft sagt, nanokrystaller er som pletter af stof, og nanotwins er som stærke, men bittesmå tråde i stoffet. Bortset fra at de er på atomskalaen. Den nye forskning kombinerer begge tilgange til at gøre det, forskerne kalder et "nanokrystallinsk nanovindet metal, ", der har "hidtil usete mekaniske og fysiske egenskaber, " skriver holdet.

Det er fordi kobberatomerne, lidt mindre end sølvatomerne, bevæge sig ind i defekter i både korngrænserne og tvillingegrænserne. Dette gjorde det muligt for holdet - ved at bruge computersimuleringer af atomer som udgangspunkt og derefter flytte ind i rigtige metaller med avancerede instrumenter på National Laboratories - at skabe den nye superstærke form for sølv. De små kobberurenheder i sølvet hæmmer defekterne i at bevæge sig, men er så lille en mængde metal - mindre end én procent af det samlede antal - at sølvets rige elektriske ledningsevne bevares. "Kobberatomets urenheder går langs hver grænseflade og ikke derimellem, "Sansoz forklarer. "Så de forstyrrer ikke elektronerne, der forplanter sig igennem."

Ikke alene overvinder dette metal den blødgøring, der tidligere er observeret, da korn og tvillingegrænser bliver for små - det såkaldte "Hall-Petch-nedbrud" - det overskrider endda den langvarige teoretiske Hall-Petch-grænse. Holdet rapporterer, at en "ideel maksimal styrke" kan findes i metaller med tvillingegrænser, der er under syv nanometer fra hinanden, kun nogle få atomer. Og en varmebehandlet udgave af holdets kobbersnørede sølv har et hårdhedsmål over, hvad man havde troet var det teoretiske maksimum.

"Vi har slået verdensrekorden, og Hall-Petch-grænsen også, ikke bare én gang, men flere gange i løbet af denne undersøgelse, med meget kontrollerede eksperimenter, " siger Sansoz.

Sansoz er overbevist om, at holdets tilgang til at lave superstærkt og stadig ledende sølv kan anvendes på mange andre metaller. "Dette er en ny klasse af materialer, og vi er lige begyndt at forstå, hvordan de virker, " siger han. Og han forudser, at den grundlæggende videnskab afsløret i den nye undersøgelse kan føre til fremskridt inden for teknologier – fra mere effektive solceller til lettere fly til sikrere atomkraftværker. "Når du kan gøre materiale stærkere, du kan bruge mindre af det, og det holder længere, " han siger, "og at være elektrisk ledende er afgørende for mange applikationer."