Useimmille kromi, koboltti ja nikkeli ovat ainakin nimeltä tuttuja metalleja. Nyt tutkijat ovat havainneet, että näistä kolmesta aineesta koostuva metalliseos eli lejeerinki, CrCoNi, on maapallon sitkein materiaali.
Lejeerinki ei ole ainoastaan yllättävän vahvaa, vaan se on myös epätavallisen venyvää, mikä tekee siitä helposti muokattavan.
CrCoNi kuuluu materiaaleihin, joita kemiassa nimitetään lyhenteellä HEA (high entropy alloy). Niissä eri alkuaineiden osuudet ovat lähes yhtä suuria.
Tällaiset materiaalit tunnetaan sitkeydestään, mutta teknisesti niitä on ollut vaikeaa testata äärioloissa.
Nyt Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion ja Oak Ridgen kansallisen laboratorion tutkijat ovat löytäneet CrCoNi-lejeeringin. Heidän tuloksensa julkaistiin Science-tiedeaikakauslehdessä.
Mitä kylmempää, sitä kestävämpää
Eniten tutkijoita hämmästytti se, että lejeerinki muuttui sitä sitkeämmäksi, mitä kylmempää siitä tuli. Useimmat materiaalit nimittäin muuttuvat äärimmäisessä kylmyydessä hauraammiksi.
Tutkijat alkoivat tehdä kokeita CrCoNi:llä ja toisella lejeeringillä, joka sisälsi myös mangaania ja rautaa (CrMnFeCoNi).
Muutamien alustavien kokeiden ja rakenteiden analysoinnin jälkeen uudet lejeeringit upotettiin noin –196-celsiusasteiseen nestemäiseen typpeen. Tällöin havaittiin materiaalien äärimmäinen sitkeys.
Heti sen jälkeen materiaalien kestävyyttä testattiin edelleen altistamalla ne –253-celsiusasteiselle nestemäiselle heliumille. Materiaalit osoittautuivat edelleen hämmästyttävän sitkeiksi – etenkin CrCoNi.
Elektronimikroskooppikuvat CrCoNi-lejeeringistä 19,85 celsiusasteessa (vas.) ja –253 celsiusasteessa (oik.). Kuvissa näkyvät metallien kolmiulotteiset kidehilat. Hilan toistuvat komponentit tunnetaan nimellä alkeiskopit. Mitä suurempia ne ovat, sitä sitkeämpää materiaali on. Kuvassa CrCoNi –253 celsiusasteessa on sitkeintä.
CrCoNi kesti –253 celsiusasteessa 50 megapascalin paineen. Vertailun vuoksi: matkustajakoneen alumiinirunko kestää reilut 35 megapascalia ja jotkin parhaista teräksistä kestävät 100 megapascalia.
Tarkoilla elektronimikroskoopeilla tutkijat havaitsivat atomitasolla jotain, mitä he nimittivät "maagiseksi sekvenssiksi". Se teki CrCoNi:stä helposti muovautuvaa ja toisaalta antoi sille vahvuutta.
CrMnFeCoNi- ja CrCoNi-lejeerinkien rae- ja kidehilarakenteita. Tavallisen ihmisen voi olla vaikeaa havaita kuvasta näiden kahden materiaalin eroa, mutta tutkijat näkevät CrCoNi-rakenteessa monimutkaisemman mallin, mikä viittaa suurempaan vastustuskykyyn.
Aluksi rakenne oli hyvin yksinkertainen ja rakeinen, mutta kun se altistettiin paineelle, se muuttui monimutkaisemmaksi ja sen murtolujuus kasvoi.
Materiaalille tehdään nyt uusia testejä, joten kestää vielä vuosia, ennen kuin se on markkinoilla – etenkin, kun sen valmistus on kallista. Tutkijat toivovat, että materiaalia voidaan käyttää äärioloissa, kuten ilmakehän ulkopuolella.