Forskare här har gjort en upptäckt inom materialvetenskap som låter som något från den gamla tecknad film Super Friends på lördagsmorgonen:De har hittat ett sätt att inaktivera "nanotvillingar" för att förbättra högtemperaturegenskaperna hos superlegeringar som används i jetmotorer.

Framsteget kan påskynda utvecklingen av kraftfulla och miljövänliga turbinmotorer av alla slag, inklusive de som används för transport och elproduktion.

"Nano -tvillingarna" i fråga är mikroskopiska defekter som växer inuti legeringar och försvagar dem, så att de kan deformeras under värme och tryck. I journalen Naturkommunikation , ingenjörer vid Ohio State University beskriver hur en skräddarsydd legeringskomposition och sedan utsätts för hög värme och tryck inte bara kan förhindra att nanotvillingar bildas, det kan faktiskt göra legeringen starkare.

I tester, tekniken, som de har kallat "förstärkning av fasomvandling, "eliminerade bildandet av nanotvillingar och minskade legeringsdeformationen till hälften.

Stark, värmebeständiga legeringar gör det möjligt för turbinmotorer att köra rent och effektivt, förklarade Michael Mills, professor i materialvetenskap och teknik och ledare för projektet i Ohio State. När en motor kan köras vid mycket höga temperaturer, det förbrukar sitt bränsle mer grundligt och ger lägre utsläpp.

"Vi fann att en ökning av koncentrationerna av vissa element i superlegeringar hämmar bildandet av högtemperaturdeformationstvillingar, vilket förbättrar legeringarnas högtemperaturförmåga avsevärt, Sa Mills.

Dessa dagar, de mest avancerade legeringarna är utformade på datorn - praktiskt taget atom för atom - och Mills team gav sig ut för att hantera det han kallade ett underskott i det ”kvantitativa, omfattande förståelse "av hur dessa exotiska metallbaserade material deformeras under hög belastning.

Forskarna gjorde upptäckten när de studerade nano -tvillingbildning i två olika kommersiella superlegeringar. De komprimerade prover av legeringarna med tusentals kilo tryck vid cirka 1, 400 grader Fahrenheit - en temperatur som kan jämföras med en jetmotor som körs - och undersökte därefter legeringarnas kristallstrukturer med elektronmikroskop och modellerade atomernas kvantmekaniska beteende på en dator.

I båda legeringarna, temperaturen och trycket fick nanotvillingar att utvecklas inom superlegeringskristallerna. Och, i båda legeringarna, materialkompositionen i och runt felen ändrades, men på olika sätt.

Genom en sekvens av atomskalahopp, vissa element - såsom atomer av nickel och aluminium - sprids bort från felen, medan andra sprids till felen. Forskarna kunde upptäcka dessa finskaliga rörelser med hjälp av avancerade elektronmikroskop vid Ohio State Center for Electron Microscopy and Analysis (CEMAS), som erbjuder en av de största koncentrationerna av elektron- och jonstråle analytiska mikroskopiinstrument i någon nordamerikansk institution.

"I den första legeringen, som inte var lika stark vid hög temperatur, atomer av kobolt och krom fyllde felet, "sa Timothy Smith, tidigare student vid Ohio State och huvudförfattare till studien. "Det försvagade området kring felet och gjorde att det kunde tjockna och bli en nano -tvilling."

Men i den andra legeringen - den som inte bildade nanotvillingar - elementen titan, tantal och niob tenderade att diffundera i fel istället. Som ett resultat, en ny och mycket stabil fas av material som bildades precis vid felen. Den nya fasen var så stabil att den motstod bildandet av nanotvillingar.

Tendensen för specifika atomer att diffundera in i nanotvillingarna beror på legeringens övergripande sammansättning, fann forskarna. "Vi upptäckte att när mängden titan, tantal, och niob i legeringen ökade, samtidigt som kobolt och krom minskar, vi skulle faktiskt kunna stärka regionen kring felen och förhindra att felet vidgas till en nano -tvilling, "Sa Smith.

Forskarnas innovativa kombination av avbildning på atomnivå och avancerad databehandling är en unik egenskap hos forskningen vid CEMAS, sa David McComb, studera medförfattare och chef för CEMAS.

"Forskning som denna illustrerar perfekt CEMAS makt att hjälpa till att driva upptäckt i nya material och processer, " han lade till.

Teamet fortsätter att studera förstärkning av fasomvandling, för att se om anpassning av legeringskompositionerna på olika sätt kan öka effekten.

Smith tog sin doktorsexamen i detta arbete, och är nu forskningsmaterialingenjör vid NASA Glenn Research Center. Tidningens medförfattare inkluderade Robert Williams, assisterande direktör för CEMAS; Wolfgang Windl, professor i materialvetenskap och teknik; Hamish Fraser, Ohio Eminent Scholar och professor i materialvetenskap och teknik; och doktorander Bryan Esser och Nikolas Antolin, hela Ohio State; Anna Carlsson från FEI/Thermo Fisher Scientific; och Andrew Wessman från GE.