De flesta känner till metallerna krom, kobolt och nickel. Nu har forskare funnit att en metallegering bestående av de tre metallerna bildar jordens tuffaste material: CrCoNi.
Legeringen är inte bara imponerande stark, den är också ovanligt duktil, vilket betyder att den är lätt att forma.
CrCoNi tillhör det som inom kemin kallas HEA-material (high entropy alloy – översatt: hög entropilegering), där andelen grundämnen är nästan densamma.
Dessa material är kända för sin hårdhet, men det har varit tekniskt svårt att testa dem under extrema förhållanden.
Ett team av forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory och Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har nu lyckats ta fram CrCoNi. Deras resultat publiceras i tidskriften Science.
Ju kallare, desto starkare
Det som dock verkligen förvånade forskarna var att legeringen blev starkare ju kallare den blev. De flesta material blir ömtåligare i extrem kyla.
De började experimentera med CrCoNi och en annan legering, som även hade mangan och järn i sig (CrMnFeCoNi), och under ett decennium testade de ämnena och analyserade deras strukturer.
Efter några inledande tester sänktes de nya legeringarna ned i flytande kväve vid cirka -196 grader och här upptäckte forskarna att materialen uppvisade extrem härdighet.
Direkt därefter stresstestades materialet ytterligare genom att det exponerades för flytande heliumtemperaturer vid drygt -253 grader, där materialen fortsatte att visa imponerande styrka – i synnerhet CrCoNi.
Elektronmikroskopbilder av fraktur i CrCoNi vid -196°C (vänster) och -253°C (höger). På bilden här syns kristallgittret av de två metallerna med ett 3D-mönster. De upprepade komponenterna i gittret är kända som enhetsceller. Ju större dessa celler är, desto starkare är materialet. På bilden är det CrCoNi vid -253°C som är starkast.
Vid dessa extrema temperaturer kunde CrCoNi motstå ett tryck på 500 megapascal. Som jämförelse tål aluminiumramen på ett passagerarflygplan 35 megapascal och några av de starkaste metallerna tål 100 megapascal.
Under avancerade elektronmikroskop upptäckte forskarna något på atomnivå som de kallade en "magisk sekvens" som först gjorde CrCoNi formbar och sedan gav den styrka.
Korn- och kristallgitterstrukturerna av CrMnFeCoNi och CrCoNi. För det otränade ögat kan det vara svårt att förstå skillnaden i bilden av de två olika materialen, men forskarna kan se ett mer komplicerat mönster i CrCoNi-strukturen, vilket tyder på större härdighet.
Till en början var strukturen mycket enkel och granulär, men när den utsattes för tryck blev den mer komplicerad och uthållig mot brott.
Materialet ska nu genomgå ytterligare tester och det tar några år innan det kommer ut på marknaden – i synnerhet på grund av att det är dyrt att skapa. Förhoppningen är att materialet ska kunna användas i extrema miljöer som utanför atmosfären.