Legeringar, som är material som stål som tillverkas genom att kombinera två eller flera metalliska element, är en av grunderna för nutida liv. De är viktiga för byggnader, transporter, apparater och verktyg – inklusive, mycket troligt, enheten du använder för att läsa den här historien. Vid applicering av legeringar har ingenjörer ställts inför en uråldrig kompromiss som är vanlig i de flesta material:Legeringar som är hårda tenderar att vara spröda och gå sönder under påfrestning, medan de som är flexibla under påfrestning tenderar att lätt bucklas.
Möjligheterna att kringgå den avvägningen uppstod för cirka 20 år sedan, när forskare först utvecklade medel- och högentropilegeringar, stabila material som kombinerar hårdhet och flexibilitet på ett sätt som konventionella legeringar inte gör det. ("entropin" i namnet indikerar hur oordnad blandningen av elementen i legeringarna är.)
Nu har en UCLA-ledd forskargrupp gett en oöverträffad bild av strukturen och egenskaperna hos legeringar med medel- och högentropi. Med hjälp av en avancerad bildteknik kartlade teamet, för första gången någonsin, de tredimensionella atomkoordinaterna för sådana legeringar. I en annan vetenskaplig första för något material, korrelerade forskarna blandningen av element med strukturella defekter. Studien publicerades den 20 december i tidskriften Nature .
"Medium- och högentropilegeringar hade tidigare avbildats i atomskala i 2D-projektioner, men den här studien representerar första gången som deras 3D-atomordning har observerats direkt", säger motsvarande författare Jianwei "John" Miao, professor i fysik vid UCLA College och medlem av California NanoSystems Institute vid UCLA. "Vi hittade en ny ratt som kan vridas för att öka legeringarnas seghet och flexibilitet."
Medium-entropi-legeringar kombinerar tre eller fyra metaller i ungefär lika stora mängder; högentropilegeringar kombinerar fem eller fler på samma sätt. Däremot är konventionella legeringar mestadels en metall med andra blandade i lägre proportioner. (Rostfritt stål, till exempel, kan vara tre fjärdedelar eller mer av järn.)
För att förstå forskarnas fynd, tänk på en smed som smider ett svärd. Det arbetet styrs av det kontraintuitiva faktum att små strukturella defekter faktiskt gör metaller och legeringar segare. När smeden upprepade gånger värmer upp en mjuk, flexibel metallstång tills den lyser och sedan släcker den i vatten, uppstår strukturella defekter som hjälper till att förvandla stången till ett orubbligt svärd.
Miao och hans kollegor fokuserade på en typ av strukturell defekt som kallas en tvillinggräns, som anses vara en nyckelfaktor i legeringar med medel- och högentropi unika kombination av seghet och flexibilitet. Twinning inträffar när töjning får en del av en kristallmatris att böjas diagonalt medan atomerna runt den förblir i sin ursprungliga konfiguration och bildar spegelbilder på vardera sidan av gränsen.
Forskarna använde en rad metaller för att göra nanopartiklar, så små att de kan mätas i miljarddelar av en meter. Sex nanopartiklar av medelentropilegering kombinerade nickel, palladium och platina. Fyra nanopartiklar av en högentropilegering kombinerade kobolt, nickel, rutenium, rodium, palladium, silver, iridium och platina.
Processen att skapa dessa legeringar liknar en extrem – och extremt snabb – version av smedens uppgift. Forskarna flytande metallen vid över 2 000 ° Fahrenheit i fem hundradelar av en sekund och kylde sedan ner den på mindre än en tiondel den tiden. Tanken är att fixera den fasta legeringen i samma varierade blandning av grundämnen som en vätska. Längs vägen inducerade chocken av processen tvillinggränser i sex av de 10 nanopartiklarna; fyra av dem hade varsitt tvillingpar.
För att identifiera defekterna krävdes en bildteknik som forskarna utvecklade, kallad atomelektrontomografi. Tekniken använder elektroner eftersom detaljer på atomnivå är mycket mindre än våglängder av synligt ljus. Den resulterande datan kan mappas i 3D eftersom flera bilder tas när ett prov roteras. Att ställa in atomelektrontomografi för att kartlägga de komplexa blandningarna av metaller var en mödosam ansträngning.
"Vårt mål är att hitta sanningen i naturen, och våra mätningar måste vara så exakta som möjligt", säger Miao, som också är biträdande chef för STROBE National Science Foundation Science and Technology Center. "Vi arbetade långsamt, tänjde på gränsen för att göra varje steg i processen så perfekt som möjligt, och gick sedan vidare till nästa steg."
Forskarna kartlade varje atom i nanopartiklarna av medelentropilegering. Vissa av metallerna i högentropilegeringen var för lika i storlek för att elektronmikroskopi skulle kunna skilja mellan dem. Så kartan över dessa nanopartiklar grupperade atomerna i tre kategorier.
Forskarna observerade att ju mer atomer av olika element (eller olika kategorier av element) blandas, desto mer sannolikt kommer legeringens struktur att förändras på ett sätt som bidrar till att matcha seghet med flexibilitet. Fynden kan informera om utformningen av medel- och högentropilegeringar med ökad hållbarhet och till och med låsa upp potentiella egenskaper som för närvarande inte syns i stål och andra konventionella legeringar genom att konstruera blandningen av vissa element.
"Problemet med att studera defekta material är att du måste titta på varje enskild defekt separat för att verkligen veta hur den påverkar de omgivande atomerna", säger medförfattaren Peter Ercius, en personalforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory's Molecular Foundry. "Atomelektrontomografi är den enda tekniken med upplösning för att göra det. Det är bara fantastiskt att vi kan se blandade atomarrangemang i denna skala inuti så små föremål."
Miao och hans kollegor utvecklar nu en ny avbildningsmetod som kombinerar atomelektronmikroskopi med en teknik för att identifiera ett provs sammansättning baserat på de fotoner det avger, för att kunna skilja mellan metaller med atomer av liknande storlek.
De utvecklar också sätt att undersöka bulklegeringar med medel- och högentropi och för att förstå grundläggande samband mellan deras strukturer och egenskaper.
Mer information: Jianwei Miao, Tredimensionell atomstruktur och lokal kemisk ordning av medel- och högentropi nanolegeringar, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06785-z. www.nature.com/articles/s41586-023-06785-z
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av California NanoSystems Institute
