Исследователи доказали, что металлический сплав хрома, кобальта и никеля официально является самым прочным материалом на Земле — более чем в 100 раз прочнее чудо-материала графена.
В новом исследовании, опубликованном 1 декабря в журнале Science, исследователи подвергли сверхпрочный сплав воздействию экстремально низких температур, чтобы проверить, насколько материал устойчив к разрушению. Учёным уже давно известно, что этот сплав — крепкий орешек, однако, к удивлению команды специалистов, сплав при резком падении температуры стал только прочнее и устойчивее к образованию трещин.
Эта сверхстойкость к разрушению резко контрастирует с большинством материалов, которые, по словам авторов исследования, при отрицательных температурах только становятся более хрупкими.
«Люди говорят о прочности графена, и она измеряется всего 4 мегапаскалями на метр, — рассказал Live Science соавтор исследования Роберт Ритчи (Robert Ritchie), профессор инженерных наук Калифорнийского университета в Беркли и старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. — Ударная вязкость алюминиевых сплавов, используемых в самолётах, составляет 35 мегапаскалей на метр. Прочность же этого материала составляет от 450 до 500 мегапаскалей на метр … это ошеломляющие цифры.»
Потенциальные применения такого прочного материала варьируются от космической инфраструктуры до устойчивых к разрушению контейнеров для использования экологически чистой энергии здесь, на Земле. Однако Ричи отметил, что два из трёх элементов сплава (никель и кобальт) непомерно дороги, что ограничивает использование сплава в лаборатории в обозримом будущем.
Странный сплав
Сплав хрома, кобальта и никеля является примером высокоэнтропийного сплава (ВЭС). В отличие от большинства сплавов, которые состоят преимущественно из одного элемента с добавлением меньшего количества дополнительных элементов, ВЭС состоят из смеси, в которую входит равное количество каждого элемента.
По словам авторов исследования, этот ВЭС чрезвычайно податлив или пластичен, что означает, что он может сгибаться под давлением, чтобы противостоять разрушению. Несколько особенностей молекулярной структуры сплава делают его необычайно податливым. Один ключевой механизм, например, заставляет атомы внутри сплава смещаться под давлением, позволяя им сдвигаться друг относительно друга. Это, наряду с различными другими механизмами, предоставляет возможность материалу продолжать деформироваться при увеличении давления без разрушения.
«Каждый из этих механизмов срабатывает на более позднем этапе, когда вы увеличиваете нагрузку на материал, и это идеальный рецепт высокой прочности, — добавил Ричи. — Что примечательно, так это то, что эти механизмы становятся более эффективными при более низких температурах.»
Сначала исследователи проверили прочность сплава, подвергнув его воздействию жидкого азота при температуре около минус 321 градуса по Фаренгейту (минус 196 градусов по Цельсию). Когда прочность сплава только улучшилась, команда задалась вопросом, насколько ещё они могут расширить пределы возможностей материала.
Донг Лю (Dong Liu), физик из Бристольского университета в Англии, и его коллеги разработали эксперимент по воздействию на сплав жидкого гелия, который может охлаждаться до сверххолодных температур минус 424 °F (минус 253 °C). Затем команда наблюдала, как нейтроны рассеиваются от материала в процессе, называемом дифракцией нейтронов, чтобы заглянуть в структуру сплава и увидеть, как при увеличении давления образуются трещины.
Эксперимент показал, что когда дело дошло до ударной вязкости, сплав обошёл графен.
«Графен обладает очень высокой прочностью, но у него нет никакой устойчивости к повреждениям, — отметил Лю. — Он очень хрупок и разбивается подобно брошенной на пол кружке, которая в итоге разлетается на куски.»
Лю добавил, что ещё одним недостатком графена является то, что его высокая прочность сохраняется только в исключительно малых, нанометровых масштабах. Между тем, образцы сплава хрома, кобальта и никеля, протестированные Лю и её командой, были размером с пачку сигарет, а это означает, что ВЭС сохранил свою прочность в масштабе повседневных предметов.
Материалы будущего
И хотя необходимы дополнительные испытания, прежде чем этот материал можно будет применять на практике, Лю с оптимизмом смотрит на то, что сплав можно будет использовать во многих проектах, как в космосе, так и на Земле. Например, ВЭС можно использовать в производстве контейнеров для хранения водорода, что могло бы сделать экологически безопасные транспортные средства, работающие на водороде, более осуществимыми.
«Если вы водите машину с сосудом для водорода, сделанным из чего-то очень хрупкого, вы, по сути, таскаете с собой бомбу, — сказал Лю. — Но не с этим материалом.»
Ричи, тем временем, осторожно предлагает потенциальное применение сплава, поскольку перемещение материала из лаборатории в «реальный мир» требует большого количества знаний и времени, в то время как стоимость никеля и кобальта остаётся непомерно высокой. Тем не менее, он заинтересован в разработке рецептур новых сплавов, которые могли бы быть такими же прочными, но при использовании уже других элементов.
«В таблице Менделеева 50 пригодных для использования элементов, — подчеркнул Ричи. — Возьмите комбинации из трёх, пяти или семи из них, и вы получите миллионы новых сплавов.»
