Det fleste kender metallerne krom, kobolt og nikkel. Nu har forskere fundet ud af, at en metallisk legering bestående af de tre metaller danner Jordens mest hårdføre materiale: CrCoNi.
Ikke bare er legeringen imponerende stærk, den er også ualmindelig duktil, hvilket vil sige, den er meget nem at forme.
CrCoNi tilhører det, der inden for kemien kaldes HEA-materialer (high entropy alloy – høj entropilegering), hvor andelen af grundstoffer er næsten den samme.
Disse materialer er kendt for deres hårdførhed, men det har teknologisk været svært at teste dem under ekstreme forhold.
Det er nu lykkedes et hold forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory og Oak Ridge National Laboratory (ORNL), som har fundet frem til CrCoNi. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Science.
Jo koldere, des stærkere
Hvad der dog for alvor overraskede forskerne var, at legeringen blev mere hårdfør, jo koldere det blev. De fleste materialer bliver mere skrøbelige under ekstreme kuldegrader.
De startede at eksperimentere med CrCoNi og en anden legering, der også havde mangan og jern i sig (CrMnFeCoNi), og hen over det næste årti testede de dem af og analyserede deres strukturer.
Efter nogle indledende prøver blev de nye legeringer sænket ned til flydende nitrogen på omkring -196°C, og her opdagede forskerne at materialerne udviste en ekstrem hårdførhed.
Straks herefter blev materialet stresstestet yderligere ved at blive udsat for flydende heliumtempereaturer ved godt -253°C, hvor materialerne fortsat udviste imponerende styrke – særligt CrCoNi.
Elektronmikroskopi-billeder af brud i CrCoNi ved 19,85°C (venstre) og -253°C (højre). På billedet her kan de to metallers krystalgitter ses, der er et 3D-mønster. De gentagne komponenter i gitteret er kendt som enhedsceller. Jo større disse celler er, des med hårdfør er materialet. På billedet er det CrCoNi ved -253°C, der er mest hårdfør.
Ved disse ekstreme temperaturer kunne CrCoNi holde til et tryk på 500 megapascal. Til sammenligning kan aluminiumsstellet i et passagerfly holde til godt 35 megapascal, og nogle af de stærkeste metaller kan holde til 100 megapascal.
Under avancererede elektronmikroskoper opdagede forskerne noget på atomniveau, de kaldte en ”magisk sekvens”, der først gjorde CrCoNi formbar, og derefter gav den styrke.
Korn- og krystalgitterstrukturerne af CrMnFeCoNi og CrCoNi. For det utrænede øje kan det være svært at forstå forskellen på billedet af de to forskellige materialer, men forskerne kan se et mere kompliceret mønster i CrCoNi-strukturen, hvilket indikerer en større modstandsdygtighed.
I starten var strukturen meget simpel og kornet, men når den blev udsat for pres, blev den mere kompliceret og modstandsdygtig over for brud.
Materialet skal nu gennemgå en række yderligere tests, så der går nogle år, før det er på markedet – særligt fordi det er dyrt at skabe. Håbet er, at materialet kan bruges under ekstreme miljøer som uden for atmosfæren.