211service.com
Glas som är starkare än stål
I materialvärlden är styrka (mängden kraft ett ämne kan motstå) och seghet (dess förmåga att motstå sprickbildning) inte bara olika attribut; de är väldigt svåra att uppnå tillsammans. Nu har ett samarbete mellan forskare från Caltech och Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory skapat en form av glas som har båda egenskaperna. Det är starkare och segare än stål eller, faktiskt, något annat känt material. Materialet innehåller palladium, en metall vars möjliga användning i glasögon upptäcktes för 45 år sedan.
Splittringsbevis: En elektronmikrograf tagen efter ett böjningstest. Provet spricker inte.
Det är förmodligen det bästa skadetoleranta materialet vi har sett, säger Robert Ritchie , en professor vid University of California, Berkeley, som testade det nya materialet. Han säger att ingen någonsin har uppnått en sådan seghet från 100 procent glas och att potentialen finns att masstillverka glaset.
Julia Greer , en biträdande professor i materialvetenskap vid Caltech, som inte var involverad i att utveckla materialet, säger att det har potential att övervinna de begränsningar som metallglasen alltid haft.
Arbetet beskrivs i en studie som publicerades denna vecka i tidskriften Naturmaterial . Marios Demetriou , professor vid Caltech och huvudförfattare till tidningen, säger att arbetet innebar att hitta en särskilt stark version av den enklaste formen av glas, kallad marginalglas, och sedan förvandla den till den ännu starkare formen som kallas bulkglas.
Vad vi gjorde här är att hitta ett mycket, väldigt segt marginalglas gjort av palladium med små fraktioner av metalloider som fosfor, kisel och germanium, vilket gav en millimeter tjocka prover. Och vi sa bara, låt oss lägga till väldigt lite av något som kommer att göra det bulk utan att göra det skört, säger Demetriou. Genom att lägga till 3,5 procent silver till detta marginalglas kunde Demetriou öka tjockleken till sex millimeter samtidigt som dess seghet bibehölls.
Akilleshälen för dessa metalliska glasögon är att när du drar dem i spänning eller försöker deformera dem på något sätt, misslyckas de katastrofalt, säger Greer. Detta sker genom bildandet av vad som kallas skjuvband, små defekter som smälter samman till venliknande mönster som snabbt utvecklas som sprickor, vilket gör att glaset går sönder under extremt små påfrestningar. Men enligt forskarna genererar palladiumglaset så många av dessa band att de bildar ett blockerande mönster som förhindrar sprickor från att fortplanta sig utan att försämra materialets övergripande egenskaper.
Ritchie säger att det kan vara möjligt att kombinera andra element för att göra ännu bättre glasögon. John Lewandowski , en professor i metallurgi vid Case Western Reserve University, säger: Ett av resultaten från detta projekt kommer att vara att stimulera mycket arbete inom relaterade områden, att undersöka detaljerna, modellera det, analysera temperatureffekter eller vad som händer när du testar det.
Begränsningen är palladiums mycket höga kostnad. Därför, säger Ritchie, även om det finns otaliga strukturella applikationer som kan utnyttja detta materials höga hållfasthet och seghet – som fordons- och flygkomponenter – kommer många av dem att visa sig opraktiska på marknaden.
Demetriou är mer optimistisk. Han tror att det redan finns en efterfrågan på metalliskt glas och säger att en produkt som ett tandimplantat gjord av materialet kan vara tillgänglig inom de närmaste fem åren. Han säger att detta skulle erbjuda ett överlägset alternativ till traditionella implantat gjorda av ädelmetaller, som är mjukare och styvare och därmed mer benägna att bära eller orsaka benatrofi.
Det första steget är att övertyga en tillverkare om att materialet har unika och ovanliga egenskaper, säger han. Sedan kommer en serie tester av dess prestanda, livslängd och biologiska kompatibilitet att behövas innan man slutligen avgör om priset skulle vara konkurrenskraftigt.
När det gäller att göra storskaliga strukturer som broar, säger Demetriou att kostnaden förmodligen skulle förhindra det. Men han har förhoppningar om att utveckla något billigare. Om vi utvecklar en järn- eller kopparlegering med dessa egenskaper, säger han, ska jag säga dig det här: vi kommer att lägga stålet i konkurs för alltid.