Högt tryck kan vara nyckeln till att göra avancerade metallblandningar som är lättare, starkare och mer värmebeständiga än konventionella legeringar, en ny studie av Stanford-forskare föreslår.

Människor har blandat metaller för att skapa legeringar med unika egenskaper i tusentals år. Men traditionella legeringar består vanligtvis av en eller två dominerande metaller med en nypa andra metaller eller element inkastade. Klassiska exempel inkluderar tillsats av tenn till koppar för att göra brons, eller kol till järn för att skapa stål.

I kontrast, "högentropi"-legeringar består av flera metaller blandade i ungefär lika stora mängder. Resultatet är starkare och lättare legeringar som är mer motståndskraftiga mot värme, korrosion och strålning, och som till och med kan ha unika mekaniska, magnetiska eller elektriska egenskaper.

Trots stort intresse från materialforskare, högentropilegeringar har ännu inte tagit steget från labbet till faktiska produkter. En viktig anledning är att forskare ännu inte har listat ut hur man exakt kontrollerar arrangemanget, eller förpackningsstruktur, av de ingående atomerna. Hur en legerings atomer är ordnade kan avsevärt påverka dess egenskaper, hjälpa till att bestämma, till exempel, om den är styv eller formbar, stark eller spröd.

"Några av de mest användbara legeringarna består av metallatomer arrangerade i en kombination av packningsstrukturer, " sade studiens första författare Cameron Tracy, en postdoktor vid Stanford's School of Earth, Energy &Environmental Sciences och Centre for International Security and Cooperation (CISAC).

En ny struktur

Hittills, forskare har bara kunnat återskapa två typer av packningsstrukturer med de flesta högentropilegeringar, kallas kroppscentrerad kubisk och ansiktscentrerad kubisk. En tredjedel, Den gemensamma packningsstrukturen har i stort sett undgått forskarnas ansträngningar – fram till nu.

I den nya studien, publiceras online i tidskriften Naturkommunikation , Tracy och hans kollegor rapporterar att de framgångsrikt har skapat en högentropilegering, gjorda av vanliga och lättillgängliga metaller, med en så kallad hexagonal close-packed (HCP) struktur.

"Ett litet antal högentropilegeringar med HCP-strukturen har tillverkats under de senaste åren, men de innehåller många exotiska grundämnen som alkalimetaller och sällsynta jordartsmetaller, "Sa Tracy. "Vad vi lyckades göra är att göra en HCP-högentropilegering av vanliga metaller som vanligtvis används i tekniska tillämpningar."

Tricket, det verkar som, är högtryck. Tracy och hans kollegor använde ett instrument som kallas en diamant-städcell för att utsätta små prover av en högentropilegering för tryck så höga som 55 gigapascal - ungefär det tryck man skulle stöta på i jordens mantel. "Den enda gången du någonsin naturligt skulle se det trycket på jordens yta är under ett riktigt stort meteoritnedslag, " sa Tracy.

Högt tryck verkar utlösa en transformation i den högentropilegering som laget använde, som bestod av mangan, kobolt, järn, nickel och krom. "Föreställ dig atomerna som ett lager av pingisbollar på ett bord, och sedan lägga till fler lager ovanpå. Det kan bilda en ansiktscentrerad kubisk packningsstruktur. Men om du flyttar några av lagren något i förhållande till det första, du skulle få en sexkantig tätpackad struktur, " sa Tracy.

Forskare har spekulerat i att anledningen till att högentropilegeringar inte genomgår denna förändring naturligt är för att interagerande magnetiska krafter mellan metallatomerna förhindrar att det händer. Men högt tryck verkar störa de magnetiska interaktionerna.

"När du trycksätter ett material, du trycker alla atomer närmare varandra. Ofta, när du komprimerar något, det blir mindre magnetiskt, ", sa Tracy. "Det är vad som verkar hända här:komprimering av högentropilegeringen gör den icke-magnetisk eller nära omagnetisk, och en HCP-fas är plötsligt möjlig."

Stabil konfiguration

Intressant, legeringen bibehåller en HCP-struktur även efter att trycket har avlägsnats. "För det mesta, när du tar bort trycket, atomerna knäpper tillbaka till sin tidigare konfiguration. Men det händer inte här, och det är verkligen förvånande, " sa studiemedförfattare Wendy Mao, en docent i geologiska vetenskaper vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap.

Teamet upptäckte också att genom att långsamt öka trycket, de kan öka mängden hexagonal tätpackningsstruktur i sin legering. "Detta tyder på att det är möjligt att skräddarsy materialet för att ge oss exakt de mekaniska egenskaper som vi vill ha för en viss applikation, " sa Tracy.

Till exempel, Förbränningsmotorer och kraftverk fungerar mer effektivt vid höga temperaturer, men konventionella legeringar tenderar att inte fungera bra under extrema förhållanden eftersom deras atomer börjar röra sig och blir mer oordnade.

"Högentropi legeringar, dock, har redan en hög grad av störning på grund av deras mycket blandade natur, " sa Tracy. "Som ett resultat, de har mekaniska egenskaper som är bra vid låga temperaturer och håller sig bra vid höga temperaturer."

I framtiden, materialforskare kanske kan finjustera egenskaperna hos högentropilegeringar ytterligare genom att blanda olika metaller och grundämnen tillsammans. "Det finns en stor del av det periodiska systemet och så många permutationer att utforska, " sa Mao.