Учени са открили клас метал, който неочаквано може да устои на екстремвн студ, използвайки необичаен механизъм. Обикновено такива температури биха направили подобни материали крехки и уязвими на счупване. Констатациите, публикувани наскоро в Nature, сочат нови принципи за проектиране на материали за криогенни среди.
Международен екип, ръководен от Калифорнийския университет в Бъркли, Националната лаборатория "Лорънс Бъркли" и Оксфордския университет, е открил нов микроскопичен механизъм, който позволява на две метални сплави да останат забележително устойчиви на повреди при само 20 келвина или -253°C.
Повечето метали стават по-здрави, когато се охлаждат, но някои - не. Класът метали, наречени обемно-центрирани кубични метали (като желязо, волфрам и хром), имат специфична атомна структура, която може да ги направи все по-крехки с понижаване на температурите. При изключително ниски температури, пукнатина, която обикновено би могла да се абсорбира от огъването или деформирането на метала, може вместо това да доведе до счупване.
Новото проучване открива, че две експериментални сплави на основата на ниобий и титан могат да избегнат този проблем дори при 20 келвина или -253°C. Металите оставата забележително устойчиви на пукнатини, без измерим преход към по-крехко състояние при тестово понижаване на температурата. Изследователите установяват, че това се дължи на факта, че сплавите ефективно променят начина си на деформация, когато са подложени на по-ниски температури.
Обикновено огъването и деформацията на обемно-центрираните кубични метали зависят до голяма степен от движението на линейни дефекти в кристалната им структура, наречени дислокации. При ниски температури те все по-трудно се движат, което ограничава способността на материала да се деформира около пукнатините и счупването става по-вероятно.
В изследваните сплави обаче протича различен процес. Изследователите наблюдават наномащабно "сдвояване", при което малки области от кристала се реорганизират в огледални ориентации, съчетани с локална трансформация на кристалната структура. Когато тези новообразувани структури достигнат границите между съседни кристали, те създават концентрирани точки на напрежение, които предизвикват нови дефекти в метала. Тези дефекти позволяват на материала да продължи да се деформира, вместо да се напуква.
Процесът наподобява пътна мрежа, която реагира на блокираните отваряйки нови маршрути. Тъй като конвенционалните пътища за деформация стават все по-трудни за използване, образуването на двойки създава нови места, от които могат да се появят дефектите, необходими за деформациите. Това помага на метала да абсорбира силите, натрупващи се около пукнатините, вместо да се счупи.
Откритието би могло да посочи нова стратегия за проектиране на метали, способни да работят в изключително студени среди, включително за енергийния, транспортния и аерокосмическия сектор.
"В продължение на десетилетия преходът от пластично към крехко състояние се разглежда като фундаментално ограничение на обемно-центрираните кубични метали. Това, което ни изненада, е, че тези сплави остават забележително устойчиви на повреди дори при 20 келвина. Като разкрихме как сдвояването и фазовата трансформация работят заедно, за да генерират пластичност преди конвенционалното движение на дислокациите, ние идентифицирахме нов начин за проектиране на структурни обемно-центрирани кубични метали, които могат да работят в екстремни криогенни среди. Този клас материали ще бъде изключително полезен за компоненти, подложени на екстремно високи и ниски температури в не едно приложение", заявява съавторът на изследването професор Дун Лиу (Dong Liu) от Катедрата по инженерни науки в Оксфордски университет.
Водещият автор д-р Дейвид Кук (David Cook), който е от Калифорнийския университет, Бъркли по време на изследването, а сега от Университета в Кеймбридж обяснява:
"Нашите резултати показват, че трябва да променим начина, по който мислим за това, което управлява прехода към крехкост за тези метали. Традиционно фокусът бе върху това колко лесно съществуващите дислокации могат да се движат през метала, но сега изглежда, че способността за създаване на нови дислокации на интерфейсите също може да бъде критична. Използвайки тези прозрения, ще може да проектираме основни микроструктурни условия, които да позволяват на материала да създава свои собствени пътища, за да остане пластичен при екстремни температури."
За да разберат как се държат сплавите при такъв екстремен студ, изследователите са използвали инструмента Engin-X в ISIS - импулсен източник на неутрони и мюони в лабораторията "Ръдърфорд Апълтън" в Оксфордшир. Те охлаждат пробите до около -253°C, използвайки газообразен хелий. След това ги излагат на лъч неутрони, докато тестова машина ги е издърпвала от двата края, прецизно измервайки каква сила могат да издържат и до каква степен се разтягат, преди да се счупят.
След това екипът използва мощни електронни микроскопи, за да изследва тествания метал в изключително малки мащаби, което им позволява да видят миниатюрните структурни промени, настъпили около пукнатините и вътре в материала. Те също така използват атомнс сонда, за да картографират разпределението на отделните елементи, наред с компютърно моделиране, за да разберат как различните механизми работят заедно, за да предотвратят крехкост и разрушаване.
Справка: Cook, D.H., Chen, X., O’Leary, M. et al. Competing mechanisms toughen bcc binary and medium-entropy alloys at 20 K. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-11065-7
Източник: Metal defies the deep freeze, staying tough at -253°C, University of Oxford
Още по темата
Физика
Достигната е нова граница на провеждания в свръхпроводници ток
Технологии
Създаден е материал, който осветен променя формата си и се разширява 800 пъти (видео)
Физика
Как се държат електроните в молекулите? Взаимодействията между рентгеновите лъчи и материята дават представа
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Европа е обявена за родно място на прилепите
1000-годишен амулет, открит в Русия, съчетава християнски светец с Горгона Медуза
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Необикновена космическа експлозия, случваща се веднъж на хилядолетие