De meeste mensen kennen de metalen chroom, kobalt en nikkel wel. Nu hebben wetenschappers ontdekt dat een metaallegering van dit trio het hardste materiaal op aarde vormt: CrCoNi.
De legering is niet alleen indrukwekkend sterk, maar ook uitzonderlijk kneedbaar, en dus heel makkelijk te vormen.
CrCoNi wordt in de scheikunde een HEA-materiaal genoemd (high entropy alloy, ‘hoge-entropielegering’), waarbij het aandeel van de elementen vrijwel gelijk is.
Deze materialen staan bekend om hun hardheid, maar het was technologisch moeilijk om ze onder extreme omstandigheden te testen.
Een team van onderzoekers van Lawrence Berkeley National Laboratory en Oak Ridge National Laboratory (ORNL) is daar nu met CrCoNi in geslaagd. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science.
Hoe kouder, hoe sterker
Maar wat de onderzoekers echt verraste, was dat de legering robuuster werd naarmate het kouder werd. De meeste materialen worden juist kwetsbaarder bij extreme kou.
Ze begonnen te experimenteren met CrCoNi en een andere legering die ook mangaan en ijzer bevatte (CrMnFeCoNi), en in de loop van het decennium daarna testten ze die en analyseerden ze hun structuren.
Na de eerste tests werden de nieuwe legeringen ondergedompeld in vloeibare stikstof bij circa -196 °C, waarmee de materialen extreem hard bleken te worden.
Direct daarna werd het materiaal op stress getest door het bloot te stellen aan temperaturen van vloeibaar helium van circa -253 °C, waarbij de sterkte indrukwekkend bleef – vooral van CrCoNi.
Elektronenmicroscoopbeelden van breuken in CrCoNi bij -196 °C (l) en -253 °C (r). Op deze foto is het kristalrooster van de twee metalen te zien, dat een 3D-patroon is. De zich herhalende onderdelen van het rooster worden eenheidscellen genoemd. Hoe groter deze cellen zijn, hoe harder het materiaal. CrCoNi is op de foto bij -253 °C het hardst.
Bij deze extreme temperaturen kon CrCoNi een druk van 500 megapascal aan. Ter vergelijking: de aluminiumstoel van een vliegtuig kan ruim 35 megapascal aan, en sommige van de beste metalen 100 megapascal.
Met geavanceerde elektronenmicroscopen ontdekten de onderzoekers iets op atomair niveau, ze noemden het een ‘magische reeks’, die CrCoNi eerst kneedbaar maakte en vervolgens sterkte gaf.
De korrel- en kristalroosterstructuren van CrMnFeCoNi en CrCoNi. Voor het ongeoefende oog kan het moeilijk zijn om het verschil tussen de twee materialen te begrijpen, maar wetenschappers zien een complexer patroon in de CrCoNi-structuur, wat wijst op een grotere hardheid.
Aanvankelijk was de structuur heel simpel en korrelig, maar onder druk werd hij complexer en breukbestendig.
Het materiaal moet nu nog een reeks tests ondergaan, dus het zal nog wel een paar jaar duren voordat het op de markt is – vooral omdat het duur is om te maken. De hoop is dat het materiaal gebruikt kan worden in extreme omgevingen zoals buiten de dampkring.