Nickel är allestädes närvarande i det amerikanska livet, tumlar runt i fickor, rullar under bilstolar, och dyker upp från baksidan av torktumlare för att användas om och om igen för otaliga inköp. Men dessa tåliga och något ödmjuka mynt blir också dyra att producera. Nickel, myntets egen namne, har blivit en uppskattad ingrediens i många moderna produkter, pressar marknadsvärdet så mycket att det ibland kostar så mycket som sju cent per pop att tillverka femcentsmyntet.

Arbetar i samarbete med U.S. Mint, en forskargrupp vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har identifierat ett alternativt tillvägagångssätt som skulle minska materialkostnaden för nickel med så mycket som 40 procent. Detta tillvägagångssätt skulle ge ett mynt lika tufft och pålitligt som det gamla nickelet men också lika välbekant för den amerikanska medborgaren.

Uppsatsen som beskriver arbetet publicerades idag i tidskriften Integrering av material och tillverkningsinnovation .

Som en extra fördel, data från denna forskning har också gett resultat som kan hjälpa högteknologiska företag att leta efter nya material att använda i elastisk elektronik som telefoner och bärbara datorer, och i en mängd radikalt nya färger, att starta.

Att tillverka mynt är en komplicerad och krävande process. Mynt får inte korrodera i handflatan på en fuktig hand, till exempel. Bilderna stämplade på deras ansikten måste vara tillräckligt motståndskraftiga för att stå emot årtionden av handel och enstaka sväng genom tvätten. Deras metalliska glans måste alltid vara igenkännbar, och av enhetlig tjocklek och densitet.

Även om den är osynlig för den genomsnittliga kunden som köper en gummiboll eller en läsk, alla amerikanska mynt måste också innehålla en förutbestämd mängd elektrisk ledningsförmåga för att fungera i varuautomater, som använder en liten mätare för att bestämma ett mynts valutasignatur. En parkeringsmätare eller läskmaskin räknar inte ditt nickel utan denna nyckelegenskap.

På många sätt var nickelproduktionsutmaningen en idealisk match för NIST Materials Genome Initiative (MGI), som startades 2011 med det ambitiösa målet att minska den tid det tar för ett nytt material att nå marknaden med minst hälften och samtidigt hålla kostnaderna nere. MGI har byggt de beräknings- och IT-verktyg som behövs för utvecklingen av alla typer av nya material för användning i en mängd olika tillverkningstillämpningar.

"Att tänka om nickel var en av de första gångerna vi kunde använda de nya MGI-verktygen för att designa ett material för en specifik applikation, " sa NIST-forskaren Carelyn Campbell. "Vi var mycket nöjda med resultaten."

NIST-teamet arbetade baklänges, först identifiera de önskade egenskaperna för den nya nickelbiten och sedan ta reda på vilka legeringar och procedurer som kan behövas för att göra det till verklighet. U.S. Mint beskrev också några platsspecifika begränsningar; nämligen, det nya myntet måste produceras med hjälp av de befintliga tillverkningsanläggningarna i Denver och Philadelphia, båda använder en specifik typ av långsam nedkylningsprocedur.

Färgen visade sig vara särskilt utmanande. Även om de flesta inte skulle tänka på att myntet har en speciell ton eller nyans, myntsamlare är en krävande grupp och kommer ofta att avvisa mynt som till och med är lite offtonade, och samlare utgör en betydande del av marknaden för pengabitar. Allmänheten kanske inte heller litar på ett mynt som är för orange eller för gult. Men färg är ofta ett subjektivt kriterium, och en som kan vara svår att kvantifiera eller reproducera med någon form av pålitlig standard.

I detta fall, användningen av MGI-processen visade sig vara oerhört hjälpsam – det överraskade även forskarna själva med hur effektivt resultatet blev. Börjar med uppsättningen parametrar för motståndskraft, ledningsförmåga och färg, teamet kunde producera en ny blandning av koppar, nickel och zink som var 40 procent billigare än den tidigare metallblandningen.

Teamet förlitade sig starkt på en typ av materialdesignsystem känt som ett ramverk för Integrated Computational Materials Engineering (ICME). Metoden använder en stor mängd datormodellering för att upptäcka hur olika komponenter kommer att reagera när de blandas ihop. I detta fall, dessa komponenter var metallegeringar.

Experimentarbete är kostsamt och tidskrävande, medan det är ganska snabbt och billigt att köra en modell på en dator. Tanken är att använda fler beräkningsresurser och verktyg för att göra benarbetet i designstadiet för att skära ner på tiden och kostnaden som krävs för att gå från idé till verklighet.

"Inom ett år, vi kunde sätta ihop ett ramverk för att designa en legering, identifiera och använda vår modell för att få rätt legering, och sedan gå vidare och faktiskt göra prototypen, testa det och ta reda på att vi uppfyllde alla våra mål, " sa NIST-projektledaren och materialingenjören Eric Lass. Lass är också seniorförfattaren till den nya tidningen. Tidigare, ett sådant arbete skulle ha tagit flera år.

Resultaten kan potentiellt spara U.S. Mint miljoner. Dessutom, flera företag som tillverkar högteknologiska föremål har visat intresse för resultaten, eftersom det finns en stark efterfrågan från konsumenterna på elektronik som är hållbar men också tillgänglig i en mängd olika färger som metallisk rosa.

Det finns ännu inga uppgifter om huruvida någon aktivt letar efter en telefon som kan ta sig igenom en sväng i en varm torktumlare på tvättdagen, fastän.

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.