O echipă internațională de cercetători a obținut un nou superaliaj, denumit RHEAD, care este de două ori mai rezistent decât oțelul clasic. Descoperirea, publicată în revista Science, contrazice un secol de metalurgie, demonstrând că metalele cu performanțe extreme pot fi obținute folosind temperaturi de fabricație mai scăzute și o răcire lentă.
Aliajele metalice sunt folosite peste tot, de la avioane până la tacâmuri, ceea ce le transformă într-o parte indispensabilă a vieții moderne. Iar oamenii de știință caută în continuare modalități de a le îmbunătăți — ceea ce se reduce adesea la felul în care sunt formate inițial. Oțelul este unul dintre exemplele clasice de aliaj: în mare parte fier, cu un strop de carbon și alte elemente, ceea ce îl face mult mai rezistent și mai dur decât fierul în stare pură.
Acum, o echipă internațională de cercetători a descoperit o nouă metodă de fabricare a aliajelor. Metoda, descrisă într-un nou articol publicat în jurnalul științific Science, promite să producă metale de câteva ori mai rezistente decât materialele pe care le folosim astăzi.
Importanța acestei inovații din știința materialelor merge dincolo de laboratoare: ar putea schimba radical modul în care construim, deschizând drumul către avioane mai ușoare, infrastructură mai rezistentă și vehicule mai sigure, cu un consum mai mic de resurse.
Secretul: temperaturi mai joase și puțină răbdare
Cheia constă în utilizarea unor temperaturi mai scăzute și mai bine controlate decât cele obișnuite în producția de aliaje, dar și în a lăsa metalul să se „coacă” pentru o perioadă anume.
Rezultatul este o configurație mai stabilă și mai ordonată a atomilor, dispuși în blocuri cunoscute sub numele de granule — atât mai mici, cât și mai bine compactate decât de obicei.
„De mai bine de un secol, dezvoltarea aliajelor s-a concentrat pe compoziție și prelucrare. Cercetarea noastră sugerează că modul în care atomii se organizează în timpul procesului de fabricație poate fi la fel de important. Adevărata importanță nu rezidă doar în acest aliaj specific, ci în demonstrarea faptului că atomii se pot auto-organiza în structuri fără defecte într-un material metalic masiv, adică o bucată mare și continuă de metal, nu un strat subțire, o peliculă sau o probă microscopică.”, a afirmat Jian-Feng Nie, specialist în știința materialelor de la Universitatea Monash din Australia, citat de ScienceAlert.
Această observație privind scalarea este importantă: ideea unor granule mai mici și mai bine organizate a mai fost explorată și înainte, însă extinderea ei la un nivel care să permită utilizarea practică reprezintă o adevărată provocare.
Ce este noul superaliaj RHEAD și cum a fost creat?
În noul studiu, cercetătorii au amestecat 5 metale: hafniu, niobiu, tantal, titan și zirconiu. După o scurtă etapă de topire la temperatură ridicată, aliajul a fost răcit la o temperatură relativ scăzută, de 550 °C, și lăsat să se odihnească timp de câteva ore și chiar zile.
La aproximativ 32 de ore, cercetătorii au obținut cel mai bun rezultat: un „superaliaj” denumit Aliaj Refractar cu Entropie Ridicată (RHEAD). Acesta este de două ori mai rezistent decât oțelul, de trei ori mai rezistent decât aluminiul și de două ori mai rezistent decât același aliaj obținut prin metode convenționale.
„Prin controlul atent al modului în care atomii se organizează în timpul procesării, am reușit să creăm o structură puternic interconectată, cu rezistență și stabilitate excepționale”, afirmă Yu Zhang, specialist în știința materialelor de la Universitatea Chongqing din China.
Atât alegerea metalelor, cât și metoda de preparare creează condițiile necesare pentru ca atomii aliajului să se organizeze în modele repetitive de granule, răspunzând la tensiunile naturale dintre materialele amestecate pentru a forma o structură lipsită de defecte. Această organizare, împreună cu absența defectelor și a golurilor dintre granulele repetitive, este ceea ce conferă rezistența suplimentară.
Testele au arătat că noul aliaj a atins o limită de curgere la compresiune de peste doi gigapascali, păstrându-și în același timp ductilitatea, ceea ce înseamnă că se îndoaie fără a se rupe.
Mai puține elemente, performanțe mai mari
„Dacă acest concept poate fi aplicat pe scară mai largă, ar putea deschide calea către materiale cu proprietăți considerate anterior de neatins, cu implicații pentru proiectarea aliajelor care ar putea fi aplicate în numeroase sisteme și industrii. În loc să creștem conținutul de aliaj pentru a obține performanțe mai bune, am putea proiecta structuri interne care să ofere proprietăți superioare cu mai puține elemente de aliere. Acest lucru ar putea duce la o producție de aliaje mai eficientă, mai durabilă și mai rentabilă.”, afirmă Nie.
Cercetătorii afirmă că descoperirile lor deschid o multitudine de posibilități pentru producția viitoare, în toate domeniile, de la industria aerospațială până la sistemele energetice — și chiar în tehnologii care nu au fost încă imaginate.
Ce urmează
Totuși, mai sunt multe de făcut. În continuare, echipa dorește să înțeleagă nu doar cum se rearanjează atomii, ci și de ce o fac, ceea ce ar trebui să permită extinderea și perfecționarea acestei noi tehnici.
„De mai bine de un secol, progresele în domeniul aliajelor au provenit din modificarea compoziției chimice și a procesării, ghidate în mare măsură de încercări empirice și erori. Această cercetare sugerează că putem de fapt să proiectăm modul în care atomii se organizează, creând oportunități de a dezvolta materiale cu capacități care înainte erau de neatins.”, afirmă Yiannis Ventikos, decanul Facultății de Inginerie de la Universitatea Monash, care nu a fost implicat direct în studiu.
Acest superaliaj demonstrează că organizarea atomică precisă poate învinge simpla amestecare a metalelor. Rămâne de văzut cât de repede industriile grele își vor adapta utilajele pentru a susține fabricarea acestui material la scară industrială largă.
Cercetarea a fost publicată în revista Science.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Oamenii care par buni vânători-culegători sunt preferați ca prieteni, arată un studiu
O grăsime alimentară obișnuită poate favoriza diabetul de tip 2, în timp ce alta ajută la combaterea lui
De ce aceeași leziune a ADN-ului provoacă cancer doar la unele persoane — genele moștenite ar putea explica diferența
Un nou aliaj, de până la 10 ori mai rezistent decât oțelul, se îndoaie în loc să crape. Care este utilitatea sa
