Von Schmieden zu Strahllinien: 3D-Atom-Enthüllungen verändern die Legierungstechnik

von Hiroshi Tanaka
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Alloy Engineering

Die bahnbrechende Forschung von Wissenschaftlern der University of California, Los Angeles (UCLA) hat eine neue Ära in der Legierungstechnik eingeläutet. Diese bahnbrechende Studie stellt die erste dreidimensionale Kartierung von Legierungen mittlerer und hoher Entropie dar, eine Entwicklung, die das Potenzial hat, das Gebiet zu revolutionieren, indem sie die Zähigkeit und Flexibilität dieser Materialien verbessert.

Legierungen wie Stahl, die aus der Verbindung von zwei oder mehr metallischen Elementen entstehen, spielen im modernen Leben eine grundlegende Rolle. Sie sind für den Bau von Gebäuden, Transportmitteln, Geräten und Werkzeugen unerlässlich, einschließlich des Geräts, mit dem Sie auf diese Informationen zugreifen. Ingenieure haben sich schon lange mit einem klassischen Materialkonflikt auseinandergesetzt: Harte Legierungen neigen dazu, spröde zu sein und unter Belastung zu brechen, während flexible Legierungen anfällig für Dellen sind.

Vor etwa zwei Jahrzehnten ergab sich mit der Entwicklung von Legierungen mittlerer und hoher Entropie die Möglichkeit, diesen Kompromiss zu umgehen. Diese neuartigen Materialien bieten eine einzigartige Mischung aus Härte und Flexibilität, die in herkömmlichen Legierungen nicht zu finden ist. Der Begriff „Entropie“ in ihrem Namen bezeichnet den Grad der Unordnung in der Mischung der Elemente innerhalb dieser Legierungen.

In einer bahnbrechenden Leistung hat ein Forschungsteam unter der Leitung der UCLA einen beispiellosen Einblick in die Struktur und Eigenschaften von Legierungen mittlerer und hoher Entropie gewährt. Mithilfe fortschrittlicher Bildgebungstechniken gelang ihnen die erste dreidimensionale Kartierung der Atomkoordinaten innerhalb dieser Legierungen. Darüber hinaus gelang es ihnen, die Mischung von Elementen mit strukturellen Defekten in Zusammenhang zu bringen, ein wissenschaftlicher Durchbruch in der Materialwissenschaft.

Legierungen mit mittlerer Entropie kombinieren drei oder vier Metalle in ungefähr gleichen Anteilen, während Legierungen mit hoher Entropie fünf oder mehr Metalle in ähnlicher Weise kombinieren. Dies steht im krassen Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen, die überwiegend aus einem Metall bestehen und andere Elemente in geringeren Anteilen enthalten. Um die Bedeutung der Forschung zu veranschaulichen, stellen Sie sich einen Schmied vor, der ein Schwert schmiedet. Überraschenderweise machen kleine Strukturfehler Metalle und Legierungen härter. Während der Schmied einen formbaren Metallstab wiederholt erhitzt, bis er glüht, und ihn dann schnell abkühlt, häufen sich Strukturfehler und verwandeln den Stab in ein robustes Schwert.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf eine bestimmte Art von Strukturdefekt, die als Zwillingsgrenze bezeichnet wird und bekanntermaßen ein entscheidender Faktor für die außergewöhnliche Kombination aus Zähigkeit und Flexibilität ist, die Legierungen mit mittlerer und hoher Entropie aufweisen. Zwillingsbildung tritt auf, wenn Spannung dazu führt, dass sich ein Abschnitt einer Kristallmatrix diagonal biegt, während die umgebenden Atome ihre ursprüngliche Anordnung beibehalten, was zu Spiegelbildern auf beiden Seiten der Grenze führt.

Die Herstellung dieser innovativen Legierungen erforderte einen außergewöhnlichen und schnellen Prozess, der an das Schmiedehandwerk erinnert. Die Wissenschaftler schmolzen das Metall für den Bruchteil einer Sekunde bei Temperaturen über 2.000 Grad Fahrenheit und kühlten es dann schnell ab. Ziel war es, die Legierung mit der gleichen vielfältigen Elementmischung wie im flüssigen Zustand zu verfestigen. Dieser Prozess führte bei sechs von zehn Nanopartikeln zu Zwillingsgrenzen, wobei vier von ihnen jeweils ein Zwillingspaar aufwiesen.

Um diese Defekte zu identifizieren, war die Entwicklung einer speziellen Bildgebungstechnik namens Atomelektronentomographie erforderlich, bei der Elektronen verwendet werden, da die Details auf atomarer Ebene viel kleiner sind als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Die resultierenden Daten wurden dreidimensional kartiert, indem beim Drehen der Probe mehrere Bilder aufgenommen wurden. Die Anpassung der Atomelektronentomographie an die komplexen Metallmischungen war ein akribisches Unterfangen.

Die Forscher kartierten jedes Atom innerhalb der Nanopartikel der Legierung mittlerer Entropie sorgfältig. Einige der Metalle in der Hochentropielegierung waren jedoch in ihrer Größe so ähnlich, dass die Elektronenmikroskopie sie nicht unterscheiden konnte. Folglich wurden die Atome in der Karte dieser Nanopartikel in drei Kategorien eingeteilt.

Die Forschungsergebnisse ergaben, dass die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Struktur der Legierung in einer Weise verändert, die ihre Zähigkeit und Flexibilität erhöht, umso größer ist, je mehr Atome verschiedener Elemente (oder Elementkategorien) gemischt werden. Diese Erkenntnisse haben das Potenzial, das Design von Legierungen mit mittlerer und hoher Entropie zu beeinflussen und durch die strategische Entwicklung von Elementmischungen zusätzliche Haltbarkeit und Entriegelungseigenschaften zu verleihen, die bei herkömmlichen Stählen und Legierungen noch nicht erreicht wurden.

Die Untersuchung fehlerhafter Materialien erfordert in der Regel die Untersuchung jedes einzelnen Defekts, um dessen Auswirkungen auf die umgebenden Atome zu verstehen. Die Atomelektronentomographie ist das einzige Verfahren mit der dafür notwendigen Auflösung. Die Fähigkeit, komplizierte atomare Anordnungen in solch winzigen Objekten zu beobachten, ist wirklich bemerkenswert.

Um ihre Forschung zu erweitern, entwickeln Miao und seine Kollegen nun eine neuartige Bildgebungsmethode, die Atomelektronenmikroskopie mit einer Technik zur Identifizierung der Zusammensetzung einer Probe anhand emittierter Photonen kombiniert. Dies wird die Unterscheidung von Metallen mit ähnlich großen Atomen ermöglichen. Darüber hinaus arbeiten sie an Möglichkeiten, Massenlegierungen mit mittlerer und hoher Entropie zu untersuchen und die grundlegenden Beziehungen zwischen ihren Strukturen und Eigenschaften aufzuklären.

Diese bahnbrechende Studie wurde am 20. Dezember 2023 in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Sie wurde mit Unterstützung des US-Energieministeriums ermöglicht und in der ebenfalls vom DOE gesponserten Molecular Foundry des Berkeley Lab durchgeführt. Die Co-Erstautoren der Studie sind Saman Moniri, ein ehemaliger Postdoktorand der UCLA; Yao Yang, der 2021 an der UCLA promovierte; und Jun Ding von der Xi'an Jiaotong Universität in China. Weitere Co-Autoren sind die UCLA-Postdoktoranden Yuxuan Liao; ehemalige UCLA-Postdoktoranden Yakun Yuan, Jihan Zhou, Long Yang und Fan Zhu; und Yonggang Yao und Liangbing Hu von der University of Maryland, College Park.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zum Thema Legierungstechnik

Welche Bedeutung hat diese UCLA-Forschung zu Legierungen?

Diese UCLA-Forschung ist bahnbrechend, da sie die erste dreidimensionale Kartierung von Legierungen mittlerer und hoher Entropie darstellt und Einblicke in ihre einzigartigen Eigenschaften bietet.

Was sind Legierungen mit mittlerer und hoher Entropie?

Legierungen mit mittlerer Entropie kombinieren drei oder vier Metalle in ungefähr gleichen Mengen, während Legierungen mit hoher Entropie fünf oder mehr Metalle in ähnlicher Weise kombinieren und sich von herkömmlichen Legierungen unterscheiden.

Welchen Einfluss hat diese Forschung auf die Legierungstechnik?

Durch die Aufdeckung der atomaren Struktur und Defekte in diesen Legierungen öffnet die Forschung Türen für die Entwicklung härterer und flexiblerer Legierungen und könnte möglicherweise die Materialtechnik revolutionieren.

Welche Rolle spielen Zwillingsgrenzen in diesen Legierungen?

Zwillingsgrenzen sind strukturelle Defekte, die für die außergewöhnliche Kombination von Zähigkeit und Flexibilität entscheidend sind, die in Legierungen mittlerer und hoher Entropie beobachtet wird.

Was ist Atomelektronentomographie und warum ist sie wichtig?

Die Atomelektronentomographie ist ein bildgebendes Verfahren zur Identifizierung von Defekten auf atomarer Ebene und daher von entscheidender Bedeutung für das Verständnis, wie sich Defekte auf die umgebenden Atome in Materialien auswirken.

Was sind die zukünftigen Richtungen dieser Forschung?

Die Forscher entwickeln neue bildgebende Verfahren, um Metalle mit ähnlich großen Atomen zu unterscheiden und grundlegende Zusammenhänge zwischen Legierungsstrukturen und -eigenschaften zu erforschen.

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5 Kommentare

GrammatikNerd Dezember 20, 2023 - 11:02 pm

Toller Inhalt, könnte aber etwas Rechtschreibprüfung gebrauchen, Leute! Es ist „erstaunlich“, nicht „erstaunlich“. _xD83D__xDE09_

Antwort
EngineeringWizard Dezember 21, 2023 - 1:53 am

Unglaublich! Legierungs-Game-Changer-Alarm! Diese Forschung öffnet Türen zu superrobusten Materialien.

Antwort
Rezensent123 Dezember 21, 2023 - 7:12 am

Wow, das ist total verrücktes Legierungszeug, als würde Science-Fiction auf Schmiedekunst treffen. Technik ist erstaunlich.

Antwort
ScienceGeek27 Dezember 21, 2023 - 11:32 am

3D-Atomkartierung – super cool! Diesen Legierungen gehört zweifellos die Zukunft.

Antwort
NewsJunkie Dezember 21, 2023 - 1:45 pm

An der UCLA wird intensiv wissenschaftlich gearbeitet, und es ist, als wären die Legierungen außer Kontrolle geraten. Ich kann es kaum erwarten zu sehen, wohin das führt!

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