Сплавы, представляющие собой такие материалы, как сталь, изготовленные путем объединения двух или более металлических элементов, являются основой современной жизни. Они необходимы для зданий, транспорта, приборов и инструментов, включая, скорее всего, устройство, которое вы используете, чтобы читать эту историю. Применяя сплавы, инженеры столкнулись с давним компромиссом, свойственным большинству материалов: твердые сплавы обычно становятся хрупкими и ломаются под нагрузкой, тогда как гибкие под нагрузкой склонны легко образовывать вмятины.
Возможности обойти этот компромисс возникли около 20 лет назад, когда исследователи впервые разработали сплавы со средней и высокой энтропией — стабильные материалы, которые сочетают в себе твердость и гибкость так, как этого не делают традиционные сплавы. («Энтропия» в названии указывает на то, насколько беспорядочна смесь элементов в сплавах.)
Теперь исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе предоставила беспрецедентное представление о структуре и характеристиках сплавов средней и высокой энтропии. Используя передовую технику визуализации , команда впервые нанесла на карту трехмерные координаты атомов таких сплавов. Еще одним научным достижением для любого материала было то, что исследователи связали смесь элементов со структурными дефектами. Исследование было опубликовано 20 декабря в журнале Nature .
«Сплавы со средней и высокой энтропией ранее были изображены в атомном масштабе в 2D-проекциях, но это исследование представляет собой первый случай, когда их трехмерный атомный порядок наблюдался напрямую», — сказал соавтор Цзяньвэй «Джон» Мяо, профессор физик в колледже Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и член Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Мы нашли новую ручку, которую можно повернуть, чтобы повысить прочность и гибкость сплавов».
Сплавы со средней энтропией объединяют три или четыре металла примерно в равных количествах; высокоэнтропийные сплавы объединяют пять или более таким же образом. Напротив, обычные сплавы в основном состоят из одного металла с примесью других в меньших пропорциях. (Например, нержавеющая сталь может на три четверти или более состоять из железа.)
Чтобы понять выводы ученых, представьте себе кузнеца, выковывающего меч. Эта работа руководствуется противоречивым фактом, что небольшие структурные дефекты на самом деле делают металлы и сплавы более прочными. Поскольку кузнец неоднократно нагревает мягкий, гибкий металлический стержень до тех пор, пока он не начнет светиться, а затем закаливает его в воде, накапливаются структурные дефекты, которые помогают превратить стержень в неподатливый меч.
Мяо и его коллеги сосредоточились на типе структурного дефекта, называемого границей двойника, который считается ключевым фактором в уникальном сочетании прочности и гибкости сплавов со средней и высокой энтропией. Двойникование происходит, когда напряжение заставляет одну часть кристаллической матрицы изгибаться по диагонали, в то время как атомы вокруг нее остаются в своей первоначальной конфигурации, образуя зеркальные изображения по обе стороны границы.
Исследователи использовали целый ряд металлов для создания наночастиц, настолько маленьких, что их можно измерить миллиардными долями метра. Шесть наночастиц сплава средней энтропии объединили никель, палладий и платину. Четыре наночастицы высокоэнтропийного сплава соединили в себе кобальт, никель, рутений, родий, палладий, серебро, иридий и платину.
Процесс создания этих сплавов напоминает экстремальную и чрезвычайно быструю версию работы кузнеца. Ученые разжижали металл при температуре более 2000° по Фаренгейту в течение пяти сотых секунды, а затем охладили его менее чем за одну десятую этого времени. Идея состоит в том, чтобы зафиксировать твердый сплав в такой же разнообразной смеси элементов, как и жидкость. Попутно шок от этого процесса вызвал образование двойниковых границ в шести из десяти наночастиц; у четырех из них было по паре близнецов.
Для выявления дефектов потребовалась разработанная исследователями методика визуализации, называемая атомно-электронной томографией. В этом методе используются электроны, поскольку детали на атомном уровне намного меньше, чем длины волн видимого света. Полученные данные могут быть отображены в 3D, поскольку при вращении образца захватывается несколько изображений. Настройка атомно-электронной томографии для картирования сложных смесей металлов была кропотливой задачей.
«Наша цель — найти истину в природе, и наши измерения должны быть максимально точными», — сказал Мяо, который также является заместителем директора научно-технологического центра Национального научного фонда STROBE. «Мы работали медленно, расширяя границы возможного, чтобы сделать каждый шаг процесса максимально совершенным, а затем переходили к следующему шагу».
Ученые нанесли на карту каждый атом в наночастицах сплава средней энтропии. Некоторые металлы в высокоэнтропийном сплаве были слишком похожи по размеру, чтобы электронная микроскопия могла их различить. Итак, карта этих наночастиц сгруппировала атомы по трем категориям.
Исследователи заметили, что чем больше смешиваются атомы разных элементов (или разных категорий элементов), тем больше вероятность того, что структура сплава изменится таким образом, что будет способствовать сочетанию прочности и гибкости. Полученные результаты могут помочь в разработке сплавов со средней и высокой энтропией с повышенной прочностью и даже раскрыть потенциальные свойства, которые в настоящее время не наблюдаются в стали и других обычных сплавах, путем разработки смеси определенных элементов.
«Проблема с изучением дефектных материалов заключается в том, что вам нужно рассматривать каждый отдельный дефект отдельно, чтобы действительно знать, как он влияет на окружающие атомы», — сказал соавтор Питер Эрсиус, научный сотрудник Молекулярного литейного завода Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. «Атомная электронная томография — единственный метод, позволяющий сделать это. Просто удивительно, что мы можем видеть беспорядочное расположение атомов в таком масштабе внутри таких маленьких объектов».
Мяо и его коллеги сейчас разрабатывают новый метод визуализации, который сочетает в себе атомную электронную микроскопию с методом определения состава образца на основе излучаемых им фотонов, чтобы различать металлы с атомами одинакового размера.
Они также разрабатывают способы исследования объемных сплавов средней и высокой энтропии и понимания фундаментальных взаимосвязей между их структурой и свойствами.
