Ungeordnete Materialien sind möglicherweise die härtesten, hitzebeständigsten Carbide
Simulationen prognostizieren neue Klasse von Carbiden
Materialwissenschaftler der Duke University und der UC San Diego haben eine neue Klasse von Carbiden entdeckt, die voraussichtlich zu den härtesten Materialien mit den höchsten Schmelzpunkten gehören wird. Hergestellt aus preiswerten Metallen, könnten die neuen Materialien bald in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt werden, von Maschinen und Anlagen bis hin zur Luft- und Raumfahrt.
Ein Computermodell der atomaren Struktur eines der neuen Carbide. Das Durcheinander aus Kohlenstoff und fünf Metallelementen gibt der Gesamtstruktur Stabilität.
Pranab Sarker, Duke University
Das Bild links zeigt metallische Elemente, die große Blöcke von ähnlichen Strukturen bilden, die kein stabiles Material ergeben. Die Elemente im Bild rechts bilden jedoch viele verschiedene Strukturen, die alle miteinander vermischt sind, was zu einem der neuen Materialien in der Studie führt.
Kenneth Vecchio, UC San Diego
Ein Carbid ist traditionell eine Verbindung, die aus Kohlenstoff und einem anderen Element besteht. In Kombination mit einem Metall wie Titan oder Wolfram ist das entstehende Material extrem hart und schwer zu schmelzen. Damit sind Hartmetalle ideal für Anwendungen wie die Beschichtung der Oberfläche von Schneidwerkzeugen oder Teilen eines Raumfahrzeugs.
Es gibt auch eine kleine Anzahl von komplexen Carbiden mit drei oder mehr Elementen, die jedoch nicht häufig außerhalb des Labors oder in industriellen Anwendungen vorkommen. Dies liegt vor allem an den Schwierigkeiten bei der Bestimmung, welche Kombinationen stabile Strukturen bilden können, geschweige denn wünschenswerte Eigenschaften haben.
Ein Team von Materialwissenschaftlern der Duke University und der UC San Diego hat nun die Entdeckung einer neuen Klasse von Carbiden bekannt gegeben, die Kohlenstoff mit fünf verschiedenen metallischen Elementen auf einmal verbinden.
Diese Materialien, die Stabilität aus der chaotischen Mischung ihrer Atome und nicht aus der geordneten Atomstruktur erzielten, wurden von den Forschern der Duke University rechnerisch vorhergesagt und dann am UC San Diego erfolgreich synthetisiert.
"Diese Materialien sind härter und leichter als die heutigen Carbide", sagt Stefano Curtarolo, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften bei Duke. "Sie haben auch sehr hohe Schmelzpunkte und bestehen aus relativ billigen Materialmischungen. Diese Kombination von Eigenschaften sollte sie für eine Vielzahl von Branchen sehr nützlich machen."
Wenn die Schülerinnen und Schüler mehr über molekulare Strukturen erfahren, werden ihnen Kristalle wie Salz gezeigt, das einem 3-D-Damestück ähnelt. Diese Materialien erhalten ihre Stabilität und Festigkeit durch regelmäßige, geordnete Atombindungen, bei denen die Atome wie Teile eines Puzzles zusammenpassen.
Unvollkommenheiten in einer kristallinen Struktur können jedoch oft die Festigkeit eines Materials erhöhen. Wenn sich beispielsweise Risse entlang einer Linie von Molekülbindungen ausbreiten, kann eine Gruppe von falsch ausgerichteten Strukturen sie in ihren Bahnen stoppen. Das Härten von festen Metallen durch die Schaffung der perfekten Menge an Unordnung wird durch einen Prozess des Erwärmens und Abschreckens, das Glühen, erreicht.
Die neue Klasse der Fünfmetallkarbide bringt diese Idee auf die nächste Stufe. Diese Materialien verlassen sich auf kristalline Strukturen und Bindungen für ihre Stabilität und sind vollständig auf Unordnung angewiesen. Während ein Haufen Basebälle nicht für sich allein stehen wird, könnte ein Haufen Basebälle, Schuhe, Fledermäuse, Hüte und Handschuhe einfach so.
Die Schwierigkeit besteht darin, vorherzusagen, welche Kombination von Elementen fest bleibt. Der Versuch, neue Materialien herzustellen, ist teuer und zeitaufwendig. Noch mehr ist es, atomare Wechselwirkungen durch erste Grundsimulationen zu berechnen. Und mit fünf Slots für metallische Elemente und 91 zur Auswahl, wird die Anzahl der möglichen Rezepte schnell gewaltig.
"Um herauszufinden, welche Kombinationen sich gut kombinieren lassen, muss man eine Spektralanalyse auf der Grundlage der Entropie durchführen", sagt Pranab Sarker, Postdoktorand in Curtarolos Labor und einer der ersten Autoren der Arbeit. "Die Entropie ist unglaublich zeitaufwendig und schwer zu berechnen, indem man ein Modell Atom für Atom aufbaut. Also haben wir etwas anderes versucht."
Das Team beschränkte zunächst das Feld der Inhaltsstoffe auf acht Metalle, von denen bekannt ist, dass sie Hartmetallverbindungen mit hoher Härte und Schmelztemperatur herstellen. Sie berechneten dann, wie viel Energie es braucht, bis ein potentielles Fünf-Metall-Hartmetall einen großen Satz zufälliger Konfigurationen bildet.
Wenn die Ergebnisse weit auseinander verteilt waren, zeigte es an, dass die Kombination wahrscheinlich eine einzelne Konfiguration bevorzugen und auseinander fallen würde - wie zu viele Basebälle in der Mischung zu haben. Aber wenn es viele Konfigurationen gäbe, die dicht beieinander liegen, deutete dies darauf hin, dass das Material wahrscheinlich viele verschiedene Strukturen auf einmal bilden würde, was die für die strukturelle Stabilität erforderliche Störung darstellte.
Die Gruppe prüfte dann ihre Theorie, indem sie ihren Kollegen Kenneth Vecchio, Professor für NanoEngineering an der UC San Diego, dazu brachte, zu versuchen, neun der Verbindungen herzustellen. Dazu wurden die Elemente in jeder Rezeptur in feiner Pulverform kombiniert, bei Temperaturen bis zu 4.000 Grad Celsius gepresst und mit 2000 Ampere Strom direkt durchströmt.
"Es war eine schwierige Aufgabe, diese Materialien zu verarbeiten", sagte Tyler Harrington, Doktorand im Labor von Vecchio und Mitautor der Arbeit. "Sie verhalten sich anders als alle anderen Materialien, mit denen wir je zu tun hatten, sogar die traditionellen Hartmetalle."
Sie wählten die drei Rezepte, die ihr System als am wahrscheinlichsten erachtet, um ein stabiles Material zu bilden, die beiden am wenigsten wahrscheinlich und vier zufällige Kombinationen, die dazwischen lagen. Wie vorhergesagt, waren die drei wahrscheinlichsten Kandidaten erfolgreich, während die beiden am wenigsten wahrscheinlich waren. Drei der vier Zwischenscorer bildeten ebenfalls stabile Strukturen. Während die neuen Hartmetalle alle wahrscheinlich wünschenswerte industrielle Eigenschaften aufweisen, fiel eine unwahrscheinliche Kombination auf - eine Kombination aus Molybdän, Niob, Tantal, Vanadium und Wolfram namens MoNbTaVWC5.
"Diesen Satz von Elementen zu kombinieren, ist im Grunde genommen wie der Versuch, einen Haufen von Quadraten und Sechsecken zusammenzudrücken", sagt Cormac Toher, ein Assistenzprofessor in Curtarolos Labor. "Wenn man nur auf Intuition setzt, denkt man nie, dass eine Kombination möglich ist. Aber es stellt sich heraus, dass die besten Kandidaten tatsächlich nicht intuitiv sind."
"Wir kennen seine genauen Eigenschaften noch nicht, weil es noch nicht vollständig getestet wurde", sagt Curtarolo. "Aber wenn wir es in den nächsten Monaten ins Labor bringen, wäre ich nicht überrascht, wenn es sich als das härteste Material mit dem höchsten Schmelzpunkt aller Zeiten erweisen würde."
"Diese Zusammenarbeit ist ein Team von Forschern, das sich darauf konzentriert, die einzigartigen und potenziell paradigmatischen Auswirkungen dieses neuen Ansatzes zu demonstrieren", sagte Vecchio. "Wir verwenden innovative Ansätze zur Modellierung von First-Principles in Kombination mit modernsten Synthese- und Charakterisierungswerkzeugen, um die integrierte "Closed-Loop"-Methodik bereitzustellen, die für die Entdeckung neuer Materialien notwendig ist."
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