3D-atomare detaljer af næste generations mellem- og højentropi legeringer afsløret for første gang

Legeringer, som er materialer såsom stål, der er fremstillet ved at kombinere to eller flere metalliske elementer, er blandt grundlaget for nutidens liv. De er essentielle for bygninger, transport, apparater og værktøjer - inklusive, meget sandsynligt, den enhed, du bruger til at læse denne historie. Ved påføring af legeringer har ingeniører stået over for en ældgammel afvejning, der er almindelig i de fleste materialer:Legeringer, der er hårde, har tendens til at være skøre og knække under belastning, mens de, der er fleksible under belastning, har tendens til let at bule.

Mulighederne for at omgå den afvejning opstod for omkring 20 år siden, da forskere først udviklede mellem- og højentropi-legeringer, stabile materialer, der kombinerer hårdhed og fleksibilitet på en måde, som konventionelle legeringer ikke gør. ("Entropien" i navnet angiver, hvor uordnet blandingen af ​​grundstofferne i legeringerne er.)

Nu har et UCLA-ledet forskerhold givet et hidtil uset billede af strukturen og egenskaberne af legeringer med mellem- og højentropi. Ved hjælp af en avanceret billedbehandlingsteknik kortlagde holdet for første gang nogensinde de tredimensionelle atomkoordinater for sådanne legeringer. I en anden videnskabelig første for ethvert materiale korrelerede forskerne blandingen af ​​elementer med strukturelle defekter. Undersøgelsen blev offentliggjort den 20. december i tidsskriftet Nature .

"Medium- og højentropi-legeringer var tidligere blevet afbildet i atomskala i 2D-projektioner, men denne undersøgelse repræsenterer første gang, at deres 3D-atomare orden er blevet direkte observeret," sagde den tilsvarende forfatter Jianwei "John" Miao, professor i fysik i UCLA College og medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA. "Vi har fundet en ny knap, der kan drejes for at øge legerings sejhed og fleksibilitet."

Medium-entropi legeringer kombinerer tre eller fire metaller i nogenlunde lige store mængder; højentropi legeringer kombinerer fem eller flere på samme måde. I modsætning hertil er konventionelle legeringer for det meste ét metal med andre blandet i lavere proportioner. (Rustfrit stål kan for eksempel være tre fjerdedele eller mere af jern.)

For at forstå videnskabsmændenes resultater, tænk på en smed, der smede et sværd. Det arbejde er styret af det kontraintuitive faktum, at små strukturelle fejl faktisk gør metaller og legeringer hårdere. Da smeden gentagne gange opvarmer en blød, fleksibel metalstang, indtil den gløder, og derefter slukker den i vand, opstår der strukturelle defekter, som hjælper med at gøre stangen til et ubøjelig sværd.

Miao og hans kolleger fokuserede på en type strukturel defekt kaldet en tvillinggrænse, som forstås som en nøglefaktor i mellem- og højentropi-legeringers unikke kombination af sejhed og fleksibilitet. Twinning sker, når belastning får en sektion af en krystalmatrix til at bøje diagonalt, mens atomerne omkring den forbliver i deres oprindelige konfiguration og danner spejlbilleder på hver side af grænsen.

Forskerne brugte en række metaller til at lave nanopartikler, så små, at de kan måles i milliardtedele af en meter. Seks mellem-entropi legering nanopartikler kombineret nikkel, palladium og platin. Fire nanopartikler af en højentropi-legering kombinerede kobolt, nikkel, ruthenium, rhodium, palladium, sølv, iridium og platin.

Processen til at skabe disse legeringer ligner en ekstrem – og ekstremt hurtig – version af smedens opgave. Forskerne gjorde metallet flydende ved over 2.000 ° Fahrenheit i fem hundrededele af et sekund og kølede det derefter ned på mindre end en tiendedel af den tid. Ideen er at fiksere den faste legering i den samme varierede blanding af grundstoffer som en væske. Undervejs inducerede processens chok tvillingegrænser i seks af de 10 nanopartikler; fire af dem havde hver et par tvillinger.

At identificere defekterne krævede en billeddannelsesteknik, som forskerne udviklede, kaldet atomelektrontomografi. Teknikken bruger elektroner, fordi detaljer på atomniveau er meget mindre end bølgelængder af synligt lys. De resulterende data kan kortlægges i 3D, fordi flere billeder optages, mens en prøve roteres. At indstille atomelektrontomografi for at kortlægge de komplekse blandinger af metaller var en møjsommelig bestræbelse.

"Vores mål er at finde sandheden i naturen, og vores målinger skal være så nøjagtige som muligt," sagde Miao, som også er vicedirektør for STROBE National Science Foundation Science and Technology Center. "Vi arbejdede langsomt, skubbede grænsen for at gøre hvert trin i processen så perfekt som muligt, og gik derefter videre til næste trin."

Forskerne kortlagde hvert atom i nanopartiklerne af medium-entropi-legering. Nogle af metallerne i højentropi-legeringen var for ens i størrelse til, at elektronmikroskopi kunne skelne mellem dem. Så kortet over disse nanopartikler grupperede atomerne i tre kategorier.

Forskerne observerede, at jo mere atomer af forskellige elementer (eller forskellige kategorier af elementer) blandes, jo mere sandsynligt vil legeringens struktur ændre sig på en måde, der bidrager til at matche sejhed med fleksibilitet. Resultaterne kunne informere designet af mellem- og højentropi-legeringer med øget holdbarhed og endda frigøre potentielle egenskaber, som i øjeblikket ikke er set i stål og andre konventionelle legeringer, ved at konstruere blandingen af ​​visse elementer.

"Problemet med at studere defekte materialer er, at du skal se på hver enkelt defekt separat for virkelig at vide, hvordan den påvirker de omgivende atomer," sagde medforfatter Peter Ercius, en stabsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory's Molecular Foundry. "Atomelektrontomografi er den eneste teknik med opløsning til at gøre det. Det er bare forbløffende, at vi kan se forvirrede atomarrangementer i denne skala inde i så små objekter."

Miao og hans kolleger er nu ved at udvikle en ny billeddannelsesmetode, der kombinerer atomelektronmikroskopi med en teknik til at identificere en prøves sammensætning baseret på de fotoner, den udsender, for at kunne skelne mellem metaller med atomer af lignende størrelse.

De er også ved at udvikle måder til at undersøge bulk legeringer med mellem- og højentropi og til at forstå grundlæggende forhold mellem deres strukturer og egenskaber.

Flere oplysninger: Jianwei Miao, Tredimensionel atomstruktur og lokal kemisk orden af ​​middel- og højentropi nanolegeringer, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06785-z. www.nature.com/articles/s41586-023-06785-z

Journaloplysninger: Natur

Leveret af California NanoSystems Institute