Nieuw metaal ontdekt dat zelfs niet breekt bij -253 graden: ontdekking tart bestaande theorieën

In dit artikel:

Een internationaal team van onderzoekers van onder meer de University of Oxford, UC Berkeley en het Lawrence Berkeley National Laboratory heeft ontdekt waarom twee legeringen op basis van niobium en titanium zelfs bij extreme kou taai blijven. Bij tests op 20 kelvin, ongeveer -253 graden Celsius, vertoonden de materialen geen meetbare overgang naar bros breukgedrag. De resultaten verschenen op 14 oktober in Nature.

Metalen worden bij lage temperaturen vaak sterker, maar ook minder vervormbaar. Dat geldt vooral voor materialen met een ruimtelijk gecentreerde kubische kristalstructuur, zoals ijzer, wolfraam en chroom. De zogenoemde dislocaties die normaal vervorming mogelijk maken, kunnen bij extreme kou nauwelijks bewegen. Daardoor hopen spanningen zich op en kan een scheur zich plotseling uitbreiden.

De onderzochte legeringen blijken dit probleem te omzeilen doordat hun kristalstructuur zich tijdens belasting aanpast. Wanneer bestaande dislocaties vastlopen, ontstaan op nanoschaal spiegelbeeldige kristalgebieden, een proces dat tweelingvorming heet. Ook verandert plaatselijk de kristalstructuur. Op de grenzen tussen die structuren ontstaan nieuwe dislocaties, waardoor het materiaal spanning kan blijven opvangen en scheurvorming wordt tegengegaan.

De onderzoekers testten de legeringen bij de ISIS Neutron and Muon Source in het Verenigd Koninkrijk. In een speciale opstelling werden de monsters met heliumgas afgekoeld en onder trekbelasting geplaatst. Neutronenmetingen, elektronenmicroscopie en computersimulaties brachten in kaart hoe de interne structuur reageerde zonder de monsters te beschadigen.

De vondst kan relevant zijn voor onderdelen die met vloeibare waterstof werken, zoals opslagtanks en leidingen, omdat die brandstof rond -253 graden Celsius wordt bewaard. Ook ruimtesondes en cryogene energiesystemen kunnen baat hebben bij minder brosse materialen. Voor praktische toepassing is echter meer onderzoek nodig naar langdurige belasting, herhaalde temperatuurwisselingen en grootschalige productie. De studie laat vooral zien dat materialen door hun kristalstructuur gericht te ontwerpen bij extreme kou nieuwe mechanismen kunnen ontwikkelen om spanningen op te vangen.