Noua tehnică construiește metale super-dure din nanoparticule

Noua tehnică construiește metale super-dure din nanoparticule

Metalurgienii au tot felul de modalități de a îngreuna o bucată de metal. Îl pot îndoi, răsuci, îl pot rula între două role sau îl pot bate cu un ciocan. Aceste metode funcționează prin ruperea structurii cerealelor metalului – domeniile cristaline microscopice care formează o bucată de metal în vrac. Boabele mai mici produc metale mai dure.

Acum, un grup de cercetători ai Universității Brown a găsit o modalitate de a personaliza structurile metalice din cereale de jos în sus. Într-o lucrare publicată în revista Chem, cercetătorii arată o metodă de spargere a nanoclusterelor de metal individuale împreună pentru a forma bucăți solide la scară macro de metal solid. Testarea mecanică a metalelor fabricate folosind tehnica a arătat că acestea sunt de până la patru ori mai dure decât structurile metalice naturale.

„Ciocanirea și alte metode de întărire sunt toate modalități de sus în jos de a modifica structura cerealelor și este foarte greu să controlați dimensiunea cerealelor cu care ajungeți”, a spus Ou Chen, profesor asistent de chimie la Brown și autor corespunzător al noii cercetări. . „Ceea ce am făcut este să creăm blocuri de construcție din nanoparticule care să fuzioneze împreună atunci când le strângeți. Astfel putem avea dimensiuni uniforme ale granulelor care pot fi reglate cu precizie pentru proprietăți îmbunătățite.”

Pentru acest studiu, cercetătorii au realizat „monede” la scară centimetrică folosind nanoparticule de aur, argint, paladiu și alte metale. Elementele de această dimensiune ar putea fi utile pentru realizarea de materiale de acoperire de înaltă performanță, electrozi sau generatoare termoelectrice (dispozitive care transformă fluxurile de căldură în electricitate). Cercetătorii cred însă că procesul ar putea fi ușor extins pentru a produce acoperiri metalice super-dure sau componente industriale mai mari.

Cheia procesului, spune Chen, este tratamentul chimic dat blocurilor de construcție a nanoparticulelor. Nanoparticulele metalice sunt de obicei acoperite cu molecule organice numite liganzi, care în general împiedică formarea legăturilor metal-metal între particule. Chen și echipa sa au găsit o modalitate de a îndepărta chimand acei liganzi, permițând grupurilor să fuzioneze împreună cu doar un pic de presiune.

Monedele metalice realizate cu această tehnică au fost substanțial mai dure decât metalul standard, a arătat cercetarea. Monedele de aur, de exemplu, erau de două până la patru ori mai grele decât în ​​mod normal. Cercetătorii au descoperit că alte proprietăți precum conducția electrică și reflectanța luminii erau practic identice cu metalele standard. Cercetătorii de la Universitatea Brown au demonstrat o modalitate de a produce metale în vrac din blocuri de nanoparticule. Pentru un nou studiu, echipa a realizat „monede” metalice din nanoparticule de aur, argint, paladiu și alte metale. Credit: laboratorul Chen / Universitatea Brown

Proprietățile optice ale monedelor de aur au fost fascinante, spune Chen, deoarece a existat o schimbare dramatică a culorii atunci când nanoparticulele au fost comprimate în metal în vrac.

„Din cauza a ceea ce este cunoscut sub numele de efect plasmonic, nanoparticulele de aur sunt de fapt de culoare negru-violet”, a spus Chen. „Dar când am aplicat presiune, vedem că aceste grupuri violet se transformă brusc într-o culoare aurie strălucitoare. Acesta este unul dintre modurile în care am știut că am format de fapt aur în vrac”.

În teorie, spune Chen, tehnica ar putea fi utilizată pentru fabricarea oricărui tip de metal. De fapt, Chen și echipa sa au arătat că pot face o formă exotică de metal cunoscută sub numele de sticlă metalică. Paharele metalice sunt amorfe, ceea ce înseamnă că le lipsește structura cristalină care se repetă în mod regulat a metalelor normale. Acest lucru dă naștere la proprietăți remarcabile. Paharele metalice se mulează mai ușor decât metalele tradiționale, pot fi mult mai puternice și mai rezistente la fisuri și prezintă supraconductivitate la temperaturi scăzute.

„A face sticlă metalică dintr-o singură componentă este notoriu greu de făcut, astfel încât majoritatea sticlei metalice sunt aliaje”, a spus Chen. „Dar am reușit să începem cu nanoparticule de paladiu amorfe și să folosim tehnica noastră pentru a produce o sticlă metalică de paladiu”.

Chen spune că speră că tehnica ar putea fi folosită într-o bună zi pentru produse comerciale. Tratamentul chimic utilizat la nanoclusteri este destul de simplu, iar presiunile utilizate pentru a le strânge împreună se încadrează în gama de echipamente industriale standard. Chen a brevetat tehnica și speră să o studieze în continuare.

„Credem că există mult potențial aici, atât pentru industrie, cât și pentru comunitatea de cercetare științifică”, a spus Chen.