Om du någon gång har otur att ha en bil med metalldäck, du kan överväga en uppsättning gjord av en ny legering konstruerad vid Sandia National Laboratories. Du kan sladda – inte köra, sladda – runt jordens ekvator 500 gånger innan slitbanan slits ut.

Sandias materialvetenskapsteam har konstruerat en platina-guldlegering som tros vara den mest slitstarka metallen i världen. Det är 100 gånger mer hållbart än höghållfast stål, gör den till den första legeringen, eller kombination av metaller, i samma klass som diamant och safir, naturens mest slitstarka material. Sandias team rapporterade nyligen sina fynd i Avancerade material . "Vi visade att det finns en grundläggande förändring du kan göra för vissa legeringar som kommer att ge denna enorma ökning av prestanda över ett brett spektrum av verkliga, praktiska metaller, " sa materialforskaren Nic Argibay, en författare på tidningen.

Även om metaller vanligtvis anses vara starka, när de upprepade gånger gnuggar mot andra metaller, som i en motor, de slits ner, deformeras och korroderar om de inte har en skyddsbarriär, som tillsatser i motorolja.

Inom elektronik, rörliga metall-till-metall-kontakter får liknande skydd med yttre lager av guld eller andra ädelmetallegeringar. Men dessa beläggningar är dyra. Och så småningom slits de ut, för, när anslutningar trycker och glider över varandra dag efter dag, år efter år, ibland miljoner, till och med miljarder gånger. Dessa effekter förvärras ju mindre anslutningarna är, för ju mindre material du börjar med, desto mindre slitage kan en anslutning utstå innan den inte längre fungerar.

Med Sandias platina-guldbeläggning, bara ett enda lager av atomer skulle gå förlorade efter en mils sladd på de hypotetiska däcken. Den ultrahållbara beläggningen kan spara elektronikindustrin mer än 100 miljoner dollar per år enbart i material, Argibay säger, och göra elektronik av alla storlekar och inom många branscher mer kostnadseffektiv, långvarig och pålitlig – från flygsystem och vindturbiner till mikroelektronik för mobiltelefoner och radarsystem.

"Dessa slitstarka material kan potentiellt ge tillförlitlighetsfördelar för en rad enheter vi har utforskat, sa Chris Nordquist, en Sandia-ingenjör som inte var inblandad i studien. "Möjligheterna till integration och förbättring skulle vara enhetsspecifika, men detta material skulle ge ett annat verktyg för att ta itu med nuvarande tillförlitlighetsbegränsningar för mikroelektroniska metallkomponenter."

Ny metall sätter en gammal teori till ro

Du kanske undrar hur metallurger i tusentals år på något sätt missade detta. I sanning, kombinationen av 90 procent platina med 10 procent guld är inte alls ny.

Men ingenjörskonsten är ny. Argibay och medförfattaren Michael Chandross skapade designen och den nya 2000-talets visdom bakom. Konventionell visdom säger att en metalls förmåga att motstå friktion är baserad på hur hård den är. Sandia-teamet föreslog en ny teori som säger att slitage är relaterat till hur metaller reagerar på värme, inte deras hårdhet, och de handplockade metaller, proportioner och en tillverkningsprocess som skulle kunna bevisa deras teori.

"Många traditionella legeringar utvecklades för att öka styrkan hos ett material genom att minska kornstorleken, sa John Curry, en postdoktor vid Sandia och första författare på tidningen. "Även fortfarande, i närvaro av extrema påfrestningar och temperaturer kommer många legeringar att förgrova eller mjukna, speciellt under trötthet. Vi såg att med vår platina-guldlegering är den mekaniska och termiska stabiliteten utmärkt, och vi såg inte mycket förändring av mikrostrukturen under oerhört långa perioder av cyklisk stress under glidning."

Nu har de bevis som de kan hålla i sina händer. Det ser ut och känns som vanlig platina, silvervit och lite tyngre än rent guld. Viktigast av allt, det är inte svårare än andra platina-guldlegeringar, men den är mycket bättre på att stå emot värme och hundra gånger mer slitstark.

Teamets tillvägagångssätt är modernt som var beroende av beräkningsverktyg. Argibay och Chandross teori uppstod från simuleringar som beräknade hur enskilda atomer påverkade de storskaliga egenskaperna hos ett material, ett samband som sällan är uppenbart från enbart observationer. Forskare inom många vetenskapliga områden använder beräkningsverktyg för att ta bort mycket av gissningarna från forskning och utveckling.

"Vi går ner till grundläggande atommekanismer och mikrostruktur och knyter ihop alla dessa saker för att förstå varför du får bra prestanda eller varför du får dåliga prestanda, och sedan konstruera en legering som ger dig bra prestanda, " sa Chandross.

En snygg överraskning

Fortfarande, det kommer alltid att finnas överraskningar inom vetenskapen. I en separat tidning publicerad i Kol , Sandia-teamet beskriver resultatet av en anmärkningsvärd olycka. En dag, medan de mäter slitage på deras platina-guld, en oväntad svart film började bildas ovanpå. De kände igen det:diamantliknande kol, en av världens bästa konstgjorda beläggningar, slank som grafit och hård som diamant. Deras skapelse gjorde sitt eget smörjmedel, och en bra sådan.

Diamantliknande kol kräver vanligtvis speciella förhållanden för att tillverka, och ändå syntetiserade legeringen det spontant.

"Vi tror att stabiliteten och den inneboende motståndskraften mot slitage gör att kolhaltiga molekyler från miljön kan fastna och brytas ned under glidning för att slutligen bilda diamantliknande kol, ", sa Curry. "Industrien har andra metoder för att göra detta, men de involverar vanligtvis vakuumkammare med högtemperaturplasma av kolarter. Det kan bli väldigt dyrt."

Fenomenet skulle kunna utnyttjas för att ytterligare förbättra metallens redan imponerande prestanda, och det kan också potentiellt leda till en enklare, mer kostnadseffektivt sätt att masstillverka premiumsmörjmedel.