Pd_42.5 Ni_7,5 Cu₃₀ P₂₀ (PNCP) anses vara mästaren för bulkmetallglas på grund av dess glasbildande förmåga (GFA), men de atomära konfigurationerna som leder till denna egenskap förblir okända. Nyligen analyserade ett internationellt team av forskare under ledning av Prof. Shinya Hosokawa från Kumamoto University, Japan, atomkonfigurationerna av PNCP, jämförde den med tidigare legeringar och fann dess karakteristiska konfigurationer och ursprunget till dess GFA. Detta kan hjälpa ingenjörer att skapa bättre metallglas.

Metalliskt glas är ett revolutionerande material som kombinerar glasets flexibilitet med metallernas styrka. Dessa tillverkas genom att snabbt kyla en flytande metall eller legering så att atomerna fryser i ett slumpmässigt mönster, ungefär som vätskor, snarare än det vanliga mönstret för normala metaller. Detta slumpmässiga vätskeliknande mönster ses också i glas, vilket ger materialet dess namn. Pd_42.5 Ni_7,5 Cu₃₀ P₂₀ (PNCP) anses mycket bättre än någon av sina moderlegeringar, Pd₄₀ Ni₄₀ P₂₀ (PNP), som visar en något sämre GFA och Pd₄₀ Cu₄₀ P₂₀ (PCP), som visar en mycket sämre GFA än PNCP. Ändå förblev de atomära konfigurationerna som är karakteristiska för PNCP, vilket gör det till ett utmärkt metallglas, ett mysterium.

I en ny artikel som gjordes tillgänglig online den 25 augusti 2022 och publicerades i Journal of Non-Crystalline Solids , ett team av forskare från Japan, Tyskland, Frankrike, Ungern och Storbritannien tog oss ett steg närmare att lösa detta mysterium. Ledda av professor Shinya Hosokawa från Kumamoto University, Japan, analyserade de framgångsrikt PNCP:s atomstruktur och jämförde den med atomstrukturen hos PNP och PCP för att hitta de karakteristiska konfigurationerna som kan leda till den utmärkta GFA hos PNCP.

"Medan tidigare studier har försökt formulera regler som kan förutsäga GFA för metallglas, har dessa inte verifierats experimentellt. Våra resultat visar att dessa regler kanske inte är sanna. Dessutom lyser vår forskning ett ljus på nästa steg som måste vara tagits för att förstå hur atomkonfigurationerna hos andra metalliska glas påverkar deras GFA," sade Prof. Hosokawa.

Genom flera observationstekniker som anomal röntgenspridning, röntgendiffraktion och neutrondiffraktion, klargjordes atomkonfigurationerna av ett PNCP-prov med 3 mm diameter. Dessa analyserades med hjälp av tekniker som omvänd Monte Carlo-modellering. Observationerna jämfördes sedan med liknande från PNP och PCP.

Teamet fann tydliga skillnader i atomkonfigurationerna för PNCP jämfört med dess moderlegeringar. Till att börja med visade PNCP mer heterogenitet i sina sekundära metaller, nickel och koppar, jämfört med sekundära metaller i PNP (dvs nickel) och PCP (dvs koppar). Nickel och koppar var inte jämnt fördelade i PNCP. Dessutom observerade teamet ökade ikosaedriska arrangemang kring nickel och koppar i PNCP. Slutligen visade fynd från persistent homology (PH), en metod för att beräkna topologin för föreningar, att PNCP innehöll de största koppar-PH-ringarna av alla palladiumbaserade bulkmetallglas.

Utifrån dessa fynd drog forskarna slutsatsen att i PNCP är den svagt kovalenta delen (gjord av palladium och fosfor, eller Pd-P) och den metalliska delen (gjord av nickel och koppar) samspelade med varandra, och detta leder till PNCP:s utmärkt GFA. Prof. Hosokawa förklarar varför dessa fynd är användbara:"Våra resultat kan hjälpa andra att förstå ursprunget till utmärkt glasbildande förmåga i många metalliska glas, inte bara PNCP. Ytterligare forskning kan bygga vidare på vår och hjälpa till att utveckla bättre metallglas i framtiden. "

Metallglas har god flexibilitet, styrka och motståndskraft mot korrosion. Det finns alltså en enorm potential i användningen av dessa material. Framsteg som detta kan göra användningen av metallglas mer vanlig i vår värld och kan föra oss ett steg närmare att inse potentialen hos dessa unika material. + Utforska vidare

Forskning gör fysiken kring glasbildning tydligare