Materialforskare vid Duke University och UC San Diego har upptäckt en ny klass av karbider som förväntas vara bland de hårdaste materialen med de högsta smältpunkterna som finns. Tillverkad av billiga metaller, de nya materialen kan snart komma att användas inom ett brett spektrum av industrier från maskiner och hårdvara till flyg.

En karbid är traditionellt en förening som består av kol och ett annat element. När den paras ihop med en metall som titan eller volfram, det resulterande materialet är extremt hårt och svårt att smälta. Detta gör karbider idealiska för applikationer som beläggning av ytan på skärverktyg eller delar av ett rymdfordon.

Ett litet antal komplexa karbider som innehåller tre eller flera grundämnen finns också, men är inte vanligt förekommande utanför laboratoriet eller i industriella tillämpningar. Detta beror mest på svårigheterna att avgöra vilka kombinationer som kan bilda stabila strukturer, än mindre har önskvärda egenskaper.

Ett team av materialforskare vid Duke University och UC San Diego har nu tillkännagett upptäckten av en ny klass av karbider som förenar kol med fem olika metalliska element samtidigt. Resultaten visas online den 27 november i tidskriften Naturkommunikation .

Att uppnå stabilitet från den kaotiska blandningen av deras atomer snarare än ordnad atomstruktur, dessa material förutspåddes beräkningsmässigt existera av forskarna vid Duke University och syntetiserades sedan framgångsrikt vid UC San Diego.

"Dessa material är hårdare och lättare i vikt än nuvarande karbider, sa Stefano Curtarolo, professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke. "De har också mycket höga smältpunkter och är gjorda av relativt billiga materialblandningar. Denna kombination av attribut borde göra dem mycket användbara för ett brett spektrum av industrier."

När eleverna lär sig om molekylära strukturer, de visas kristaller som salt, som liknar ett 3-D schackbräde. Dessa material får sin stabilitet och styrka genom regelbundna, ordnade atombindningar där atomerna passar ihop som bitar av ett pussel.

Ofullkomligheter i en kristallin struktur, dock, kan ofta ge ett material styrka. Om sprickor börjar fortplanta sig längs en linje av molekylära bindningar, till exempel, en grupp felinriktade strukturer kan stoppa den i dess spår. Härdning av fasta metaller genom att skapa den perfekta mängden oordning uppnås genom en process av uppvärmning och härdning som kallas glödgning.

Den nya klassen av femmetallkarbider tar denna idé till nästa nivå. Att inte lita på kristallina strukturer och bindningar för deras stabilitet, dessa material är helt beroende av oordning. Medan en hög med basebollar inte står av sig själv, en hög med basebollar, skor, fladdermöss, mössor och handskar kanske.

Svårigheten ligger i att förutsäga vilken kombination av element som kommer att stå fast. Att försöka tillverka nya material är dyrt och tidskrävande. Att beräkna atomära interaktioner genom första principsimuleringar är ännu mer så. Och med fem platser för metalliska element och 91 att välja mellan, antalet potentiella recept blir snabbt skrämmande.

"För att ta reda på vilka kombinationer som kommer att blandas väl, du måste göra en spektralanalys baserad på entropi, sa Pranab Sarker, en postdoktor i Curtarolos labb och en av de första författarna till uppsatsen. "Entropi är otroligt tidskrävande och svårt att beräkna genom att bygga en modell atom för atom. Så vi försökte något annat."

Teamet begränsade först fältet av ingredienser till åtta metaller kända för att skapa karbidföreningar med hög hårdhet och smälttemperaturer. De beräknade sedan hur mycket energi det skulle ta för en potentiell femmetallkarbid att bilda en stor uppsättning slumpmässiga konfigurationer.

Om resultaten spreds långt ifrån varandra, det indikerade att kombinationen sannolikt skulle gynna en enda konfiguration och falla isär – som att ha för många baseballs i mixen. Men om det fanns många konfigurationer tätt ihopklumpade, det indikerade att materialet sannolikt skulle bilda många olika strukturer på en gång, tillhandahåller den störning som behövs för strukturell stabilitet.

Gruppen testade sedan sin teori genom att få kollega Kenneth Vecchio, professor i nanoteknik vid UC San Diego, att försöka göra nio av föreningarna. Detta gjordes genom att kombinera elementen i varje recept i en finpulverform, pressa dem vid temperaturer upp till 4, 000 grader Fahrenheit och kör 2000 ampere ström direkt genom dem.

"Att lära sig att bearbeta dessa material var en svår uppgift, sa Tyler Harrington, en Ph.D. student i Vecchios labb och medförfattare till uppsatsen. "De beter sig annorlunda än något material som vi någonsin har hanterat, även de traditionella karbiderna."

De valde de tre recept som deras system ansåg mest sannolikt att bilda ett stabilt material, de två minst troliga, och fyra slumpmässiga kombinationer som fick poäng däremellan. Som förutspått, de tre mest sannolika kandidaterna var framgångsrika medan de två minst sannolika inte var det. Tre av de fyra medelpoängarna bildade också stabila strukturer. Medan de nya karbiderna alla sannolikt kommer att ha önskvärda industriella egenskaper, en osannolik kombination stod ut – en kombination av molybden, niob, tantal, vanadin och volfram som förkortas MoNbTaVWC5.

"Att få den här uppsättningen element att kombinera är i princip som att försöka klämma ihop ett gäng rutor och hexagoner, sa Cormac Toher, en biträdande forskningsprofessor i Curtarolos laboratorium. "Gå på intuition ensam, du skulle aldrig tro att den kombinationen skulle vara genomförbar. Men det visar sig att de bästa kandidaterna faktiskt är kontraintuitiva."

"Vi vet inte dess exakta egenskaper än eftersom det inte har testats helt, " sa Curtarolo. "Men när vi väl får in den i laboratoriet inom de närmaste månaderna, Jag skulle inte bli förvånad om det visade sig vara det hårdaste materialet med den högsta smältpunkten som någonsin gjorts."

"Detta samarbete är ett team av forskare fokuserade på att demonstrera de unika och potentiellt paradigmförändrande implikationerna av detta nya tillvägagångssätt, ", sa Vecchio. "Vi använder innovativa tillvägagångssätt för modellering av de första principerna i kombination med toppmoderna syntes- och karakteriseringsverktyg för att tillhandahålla den integrerade "slutna slinga"-metoden som är så nödvändig för avancerad materialupptäckt."