Glas dat sterker is dan staal

In de wereld van materialen zijn sterkte (de hoeveelheid kracht die een stof kan weerstaan) en taaiheid (het vermogen om breuk te weerstaan) niet alleen verschillende attributen; ze zijn erg moeilijk om samen te bereiken. Nu heeft een samenwerking van onderzoekers van Caltech en het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy een vorm van glas gecreëerd die beide eigenschappen heeft. Het is sterker en taaier dan staal of elk ander bekend materiaal. Het materiaal bevat palladium, een metaal waarvan het mogelijke gebruik in glazen 45 jaar geleden werd erkend.

Onbreekbaar bewijs: Een elektronenmicrofoto genomen na een buigtest. Het monster brak niet.

Het is waarschijnlijk het beste schadetolerante materiaal dat we hebben gezien, zegt Robert Ritchie , een professor aan de University of California, Berkeley, die het nieuwe materiaal testte. Hij zegt dat niemand ooit zo'n taaiheid van 100 procent glas heeft bereikt en dat het potentieel bestaat om het glas in massa te produceren.

Julia Greer , een assistent-professor Materials Science bij Caltech, die niet betrokken was bij de ontwikkeling van het materiaal, zegt dat het potentieel heeft om de beperkingen te overwinnen die de metalen glazen altijd hadden.

Het werk wordt beschreven in een studie die deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurmaterialen . Marios Demetriou , een professor aan Caltech en hoofdauteur van het artikel, zegt dat het werk bestond uit het vinden van een bijzonder sterke versie van de eenvoudigste vorm van glas, marginaal glas genaamd, en deze vervolgens te veranderen in de nog sterkere vorm die bekend staat als bulkglas.

Wat we hier deden, is een zeer, zeer taai randglas vinden, gemaakt van palladium met kleine fracties van metalloïden zoals fosfor, silicium en germanium, wat monsters van één millimeter dik opleverde. En we zeiden net: laten we heel weinig toevoegen van iets dat het bulkt zonder het broos te maken, zegt Demetriou. Door 3,5 procent zilver aan dit marginale glas toe te voegen, kon Demetriou de dikte vergroten tot zes millimeter met behoud van de taaiheid.

De achilleshiel van deze metalen bril is dat wanneer je ze onder spanning trekt of ze op de een of andere manier probeert te vervormen, ze catastrofaal falen, zegt Greer. Dit gebeurt door de vorming van zogenaamde afschuifbanden, kleine defecten die samenvloeien tot aderachtige patronen die zich snel ontwikkelen als scheuren, waardoor het glas breekt onder extreem kleine spanningen. Volgens de onderzoekers genereert het palladiumglas echter zoveel van deze banden dat ze een blokkerend patroon vormen dat voorkomt dat scheuren zich voortplanten zonder de algehele eigenschappen van het materiaal aan te tasten.

Ritchie zegt dat het misschien mogelijk is om andere elementen te combineren om nog betere glazen te maken. John Lewandowski , een professor in de metallurgie aan de Case Western Reserve University, zegt: Een van de resultaten van dit project zal zijn dat er veel werk zal worden verzet op verwante gebieden, zoals het onderzoeken van de details, het modelleren ervan, het analyseren van temperatuureffecten of wat er gebeurt als je het test.

De beperking is de zeer hoge prijs van palladium. Daarom zegt Ritchie dat, hoewel er talloze structurele toepassingen zijn die gebruik kunnen maken van de hoge sterkte en taaiheid van dit materiaal, zoals auto- en ruimtevaartcomponenten, velen van hen onpraktisch zullen blijken op de markt.

Demetriou is optimistischer. Hij gelooft dat er al vraag is naar metallisch glas en zegt dat een product als een tandheelkundig implantaat gemaakt van het spul binnen de komende vijf jaar beschikbaar zou kunnen zijn. Hij zegt dat dit een superieur alternatief zou bieden voor traditionele implantaten gemaakt van edele metalen, die zachter en stijver zijn en dus meer kans hebben op slijtage of botatrofie veroorzaken.

De eerste stap is om een ​​fabrikant ervan te overtuigen dat het materiaal unieke en ongebruikelijke eigenschappen bezit, zegt hij. Vervolgens zal een reeks tests van de prestaties, levensduur en biologische compatibiliteit nodig zijn voordat uiteindelijk wordt bepaald of de prijsstelling concurrerend is.

Wat betreft het maken van grootschalige constructies zoals bruggen, zegt Demetriou dat de kosten dat waarschijnlijk zouden voorkomen. Maar hij heeft de hoop iets goedkopers te ontwikkelen. Als we een ijzer- of koperlegering met deze eigenschappen ontwikkelen, zegt hij, zal ik je dit vertellen: we zullen staal voor altijd buitenspel zetten.

zich verstoppen