סגסוגת חדשה מזעזעת מדענים עם החוזק והקשיחות הכמעט בלתי אפשריים שלה

חוקרים גילו מתכת יוצאת דופן סַגסוֹגֶת שלא יסדק בטמפרטורות קיצוניות עקב קיפול, או כיפוף, של גבישים בסגסוגת ברמה האטומית.

סגסוגת מתכת המורכבת מניוביום, טנטלום, טיטניום והפניום זעזעה את מדעני החומרים עם החוזק והקשיחות המרשימים שלה בטמפרטורות חמות וקרות במיוחד, שילוב של מאפיינים שנראו עד כה כמעט בלתי אפשריים להשגה. בהקשר זה, חוזק מוגדר ככמה כוח יכול חומר לעמוד לפני שהוא מעוות לצמיתות מצורתו המקורית, וקשיחות היא עמידותו בפני שבירה (סדקים). עמידותה של הסגסוגת בפני כיפוף ושבר במגוון עצום של תנאים עשויה לפתוח את הדלת לסוג חדש של חומרים למנועי הדור הבא שיכולים לפעול ביעילות גבוהה יותר.

הצוות, בראשות רוברט ריצ'י במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) ואוניברסיטת ברקלי, בשיתוף עם הקבוצות בראשות הפרופסורים דיראן אפליאן באוניברסיטת ארווין ואנריקה לברניה באוניברסיטת טקסס A&M, גילה את התכונות המפתיעות של הסגסוגת ואז הבין כיצד הם נובעים מאינטראקציות במבנה האטומי. עבודתם מתוארת במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת מַדָע.

"היעילות של המרת חום לחשמל או דחף נקבעת על פי הטמפרטורה בה נשרף הדלק – ככל שחם יותר, כך טוב יותר. עם זאת, טמפרטורת הפעולה מוגבלת על ידי החומרים המבניים שחייבים לעמוד בה", אמר המחבר הראשון דיוויד קוק, דוקטור. סטודנט במעבדה של ריצ'י. "מיצנו את היכולת לייעל עוד יותר את החומרים שבהם אנו משתמשים כיום בטמפרטורות גבוהות, ויש צורך גדול בחומרים מתכתיים חדשים. זה מה שהסגסוגת הזו מראה הבטחה".

הסגסוגת במחקר זה היא ממעמד חדש של מתכות הידועות כסגסוגות אנטרופיה גבוהה או בינונית עקשנית (RHEAS/RMEAs). רוב המתכות שאנו רואים ביישומים מסחריים או תעשייתיים הן סגסוגות העשויות ממתכת עיקרית אחת המעורבבת עם כמויות קטנות של אלמנטים אחרים, אך RHEA ו-RMEAs מיוצרות על ידי ערבוב של כמויות כמעט שוות של יסודות מתכתיים עם טמפרטורות התכה גבוהות מאוד, מה שמקנה להם תכונות ייחודיות שמדענים עדיין מפרקים. הקבוצה של ריצ'י חוקרת את הסגסוגות הללו כבר כמה שנים בגלל הפוטנציאל שלהן ליישומים בטמפרטורה גבוהה.

"הצוות שלנו עשה עבודה קודמת על RHEA ו-RMEAs וגילינו שהחומרים האלה חזקים מאוד, אבל בדרך כלל הם בעלי קשיחות שברים נמוכה במיוחד, וזו הסיבה שהיינו בהלם כאשר הסגסוגת הזו הציגה קשיחות גבוהה במיוחד", אמר מחבר שותף מתכתב. פוניט קומאר, חוקרת פוסט-דוקטורט בקבוצה.

לדברי קוק, לרוב ה-RMEAs יש קשיחות שבר של פחות מ-10 MPa√m, מה שהופך אותם לכמה מהמתכות השבריריות ביותר שרשומות. הפלדות הקריוגניות הטובות ביותר, שהונדסו במיוחד כדי לעמוד בפני שברים, קשיחות פי 20 מהחומרים הללו. עם זאת, הניוביום, הטנטלום, הטיטניום וההפניום (Nb₄₅טא₂₅טי₁₅Hf₁₅) סגסוגת RMEA הצליחה לנצח אפילו את הפלדה הקריוגנית, והגיעה לרמה של למעלה מ-25 פעמים יותר קשוחה מ-RMEA טיפוסי בטמפרטורת החדר.

אבל מנועים לא פועלים בטמפרטורת החדר. המדענים העריכו חוזק וקשיחות בחמש טמפרטורות כוללות: -196 מעלות צלזיוס (הטמפרטורה של חנקן נוזלי), 25 מעלות צלזיוס (טמפרטורת החדר), 800 מעלות צלזיוס, 950 מעלות צלזיוס ו-1200 מעלות צלזיוס. הטמפרטורה האחרונה היא בערך 1/5 טמפרטורת פני השטח של השמש.

הצוות גילה שלסגסוגת יש את החוזק הגבוה ביותר בקור ונחלשה מעט ככל שהטמפרטורה עלתה, אך עדיין התהדרה בנתונים מרשימים בכל הטווח הרחב. קשיחות השבר, שמחושבת לפי כמות הכוח שנדרש כדי להפיץ סדק קיים בחומר, הייתה גבוהה בכל הטמפרטורות.

פירוק הסידורים האטומיים

כמעט כל הסגסוגות המתכתיות הן גבישיות, כלומר האטומים בתוך החומר מסודרים ביחידות חוזרות. עם זאת, אף גביש אינו מושלם, כולם מכילים פגמים. הפגם הבולט שזז נקרא נקע, שהוא מישור לא גמור של אטומים בגביש. כאשר מפעילים כוח על מתכת זה גורם לתזוזות רבות כדי להתאים לשינוי הצורה.

לדוגמה, כאשר מכופפים מהדק שעשוי מאלומיניום, תנועת התזוזה בתוך מהדק הנייר מתאימה לשינוי הצורה. עם זאת, תנועת הנקעים הופכת קשה יותר בטמפרטורות נמוכות יותר וכתוצאה מכך חומרים רבים הופכים לשבירים בטמפרטורות נמוכות מכיוון שנקעים אינם יכולים לזוז. זו הסיבה שגוף הפלדה של הטיטאניק נשבר כשפגע בקרחון. אלמנטים עם טמפרטורות התכה גבוהות וסגסוגותיהם לוקחים זאת לקיצוניות, כאשר רבים נותרים שבירים עד אפילו 800 מעלות צלזיוס. עם זאת, ה-RMEA הזה מתנגד למגמה, עמיד בפני הצמדות אפילו בטמפרטורות נמוכות כמו חנקן נוזלי (-196 מעלות צלזיוס).

כדי להבין מה קורה בתוך המתכת המדהימה, החוקר השותף אנדרו מינור וצוותו ניתחו את הדגימות הלחוצות, לצד דגימות בקרה לא כפופות ולא סדוקות, תוך שימוש במיקרוסקופ אלקטרוני תמסורת סריקה ארבע-ממדית (4D-STEM) ומיקרוסקופיה אלקטרונית שידור סורק (STEM) ) במרכז הלאומי למיקרוסקופיה אלקטרונית, חלק מהיציקה המולקולרית של מעבדת ברקלי.

נתוני מיקרוסקופ האלקטרונים גילו שהקשיחות הבלתי רגילה של הסגסוגת נובעת מתופעת לוואי בלתי צפויה של פגם נדיר הנקרא רצועת קינק. רצועות עקמומיות נוצרות בגביש כאשר כוח מופעל גורם לרצועות של הגביש להתמוטט על עצמן ולהתכופף בפתאומיות. הכיוון שבו הקריסטל מתכופף ברצועות אלו מגביר את הכוח שחשים נקעים, וגורם להם לנוע בקלות רבה יותר. ברמת התפזורת, תופעה זו גורמת לחומר להתרכך (כלומר שצריך להפעיל פחות כוח על החומר כשהוא מעוות). הצוות ידע ממחקרים קודמים שרצועות קינק נוצרות בקלות ב-RMEAs, אך הניחו שאפקט הריכוך יהפוך את החומר פחות קשיח בכך שיקל על התפשטות הסדק דרך הסריג. אבל במציאות, זה לא המקרה.

"אנחנו מראים, בפעם הראשונה, שבנוכחות של סדק חד בין אטומים, רצועות קינק מתנגדות למעשה להתפשטות של סדק על ידי הפצת נזקים ממנו, מונעת שבר ומובילה לקשיחות שבר גבוהה במיוחד", אמר קוק.

ה-Nb₄₅טא₂₅טי₁₅Hf₁₅ סגסוגת תצטרך לעבור הרבה יותר מחקר בסיסי ובדיקות הנדסיות לפני כל דבר כמו טורבינת מטוס סילון או SpaceX זרבובית רקטה עשויה ממנו, אמר ריצ'י, כי מהנדסי מכונות דורשים בצדק הבנה מעמיקה של ביצועי החומרים שלהם לפני שהם משתמשים בהם בעולם האמיתי. עם זאת, מחקר זה מצביע על כך שלמתכת יש פוטנציאל לבנות את מנועי העתיד.

מחקר זה נערך על ידי דיוויד ה. קוק, פוניט קומאר, מדלין איי פיין, קלווין ה. בלצ'ר, פדרו בורחס, וונקינג וואנג, פלין וולש, זהאו לי, ארון דווארג', מינגווי ז'אנג, מארק אסטה, אנדרו מ. מינור, אנריקה J. Lavernia, Diran Apelian, ו-Robert O. Ritchie, מדענים במעבדת ברקלי, UC Berkeley, Pacific Northwest National Laboratory ו-UC Irvine, במימון משרד המדע של משרד האנרגיה (DOE). ניתוח ניסיוני וחישובי בוצע בבית היציקה המולקולרית ובמרכז המחשוב המדעי למחקר האנרגיה הלאומי – שניהם מתקני משתמש של משרד DOE of Science.