211service.com
Glas, der er stærkere end stål
I materialernes verden er styrke (mængden af kraft et stof kan modstå) og sejhed (dets evne til at modstå brud) ikke blot forskellige egenskaber; de er meget svære at opnå sammen. Nu har et samarbejde mellem forskere fra Caltech og Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory skabt en form for glas, der har begge kvaliteter. Det er stærkere og sejere end stål eller, faktisk, ethvert andet kendt materiale. Materialet indeholder palladium, et metal, hvis mulige brug i briller blev anerkendt for 45 år siden.
Splintningsbevis: Et elektronmikrografi taget efter en bøjetest. Prøven brækkede ikke.
Det er nok det bedste skadetolerante materiale, vi har set, siger Robert Ritchie , en professor ved University of California, Berkeley, som testede det nye materiale. Han siger, at ingen nogensinde har opnået en sådan sejhed fra 100 procent glas, og at potentialet er til at masseproducere glasset.
Julia Greer , en assisterende professor i materialevidenskab ved Caltech, som ikke var involveret i at udvikle materialet, siger, at det har potentiale til at overvinde de begrænsninger, som de metalliske glas altid har haft.
Arbejdet er beskrevet i en undersøgelse offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturmaterialer . Marios Demetriou , professor ved Caltech og hovedforfatter af papiret, siger, at arbejdet involverede at finde en særlig stærk version af den enkleste form for glas, kaldet marginalglas, og derefter omdanne det til den endnu stærkere form kendt som bulkglas.
Det, vi gjorde her, var at finde et meget, meget sejt marginalt glas lavet af palladium med små fraktioner af metalloider som fosfor, silicium og germanium, som gav en millimeter tykke prøver. Og vi sagde bare, lad os tilføje meget lidt af noget, der vil gøre det bulk uden at gøre det skørt, siger Demetriou. Ved at tilføje 3,5 procent sølv til dette marginale glas var Demetriou i stand til at øge tykkelsen til seks millimeter og samtidig bevare sin sejhed.
Akilleshælen af disse metalliske briller er, at når du trækker dem i spænding eller forsøger at deformere dem på en eller anden måde, fejler de katastrofalt, siger Greer. Dette sker gennem dannelsen af det, der kaldes forskydningsbånd, små defekter, der smelter sammen til venelignende mønstre, der hurtigt udvikler sig som revner, hvilket får glasset til at knække under ekstremt små belastninger. Men ifølge forskerne genererer palladiumglasset så mange af disse bånd, at de danner et blokeringsmønster, der forhindrer revner i at forplante sig uden at forringe materialets overordnede egenskaber.
Ritchie siger, at det kan være muligt at kombinere andre elementer for at lave endnu bedre briller. John Lewandowski , en professor i metallurgi ved Case Western Reserve University, siger: Et af resultaterne fra dette projekt vil være at anspore til en masse arbejde på relaterede områder, undersøge detaljerne, modellere det, analysere temperatureffekter eller hvad der sker, når du tester det.
Begrænsningen er palladiums meget høje omkostninger. Derfor siger Ritchie, selvom der er utallige strukturelle applikationer, der kunne udnytte dette materiales høje styrke og sejhed - som bil- og rumfartskomponenter - vil mange af dem vise sig upraktiske på markedet.
Demetriou er mere optimistisk. Han mener, at der allerede er efterspørgsel efter metallisk glas og siger, at et produkt som et tandimplantat lavet af stoffet kan være tilgængeligt inden for de næste fem år. Han siger, at dette ville tilbyde et overlegent alternativ til traditionelle implantater lavet af ædle metaller, som er blødere og stivere og dermed mere tilbøjelige til at slide eller forårsage knogleatrofi.
Det første skridt er at overbevise en producent om, at materialet besidder unikke og usædvanlige egenskaber, siger han. Derefter vil der være behov for en række tests af dens ydeevne, levetid og biologiske kompatibilitet, før det i sidste ende afgøres, om prisen ville være konkurrencedygtig.
Med hensyn til at lave store strukturer som broer, siger Demetriou, at omkostningerne sandsynligvis ville forhindre det. Men han har håb om at udvikle noget billigere. Hvis vi udvikler en jern- eller kobberlegering med disse egenskaber, siger han, vil jeg fortælle dig dette: vi vil sætte stål ud af drift for altid.