Men – kan du virkelig lage det sånn?
Forskere ved NTNU har oppdaget en ny og overraskende metode for å lage sterkere materialer av aluminium.
I tusenvis av år har smarte folk blandet metaller for å lage nyttige materialer. Bronsealderen startet rundt 3300 år fKr. Den ble, som du skjønner, definert av bruken av bronse.
Bronse er en blanding av kopper og tinn som er sterkere enn metallene er hver for seg. Slike blandinger av metaller kaller vi legeringer.
Nå har forskere ved NTNU oppdaget en ny og overraskende metode for å lage en helt ny oppfinnelse, nemlig legeringer av aluminium med ørsmå nanopartikler av andre metaller i seg.
Den nye metoden gjør materialene enda sterkere, og er overraskende fordi den går tvert imot intuisjonen.
Aluminium. Lett, men ikke veldig sterkt. Ofte må vi tilsette andre stoffer for å få de egenskapene vi ønsker oss. Da får vi legeringer. Illustrasjonsfoto: Shutterstock, NTB
Rent aluminium holder ikke
Aluminium er et vanlig metall å bruke for å lage deler innenfor luft- og romfart, annen transport og byggeindustrien. Dette er delvis fordi metallet er både lett og hardført. Aluminiumslegeringer beholder disse gode egenskapene, men er enda sterkere enn aluminium uten tilsetninger.
– Om vi brukte rent aluminium, ville det så klart ikke vært sterkt nok, sier Yanjun Li, professor i fysikalsk metallurgi ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.
De siste årene har forskere støtt på problemer når de har prøvd å lage aluminiumslegeringer som er nanoforsterket med kobberatomer.
Kobberatomer klumper seg
Disse kobberatomene har nemlig en tendens til å klumpe seg sammen istedenfor å fordele seg i hele materialet. Da lager de store partikler av kobber og aluminium i materialet isteden, og vi får ikke de egenskapene vi ønsker oss. Materialet blir svakere. Dette gjelder spesielt ved temperaturer over 100 grader.
– De akkumulerer seg isteden og lager store partikler, sier Li. – Disse store partiklene reduserer faktisk styrken.
Yanjun Li og Hanne Søreide med APT-maskinen. Foto: Per Henning, NTNU
Kobberatomene kan bevege seg i materialet om det finnes ledige hulrom i det som ikke allerede er tatt opp av andre atomer. Så forskere har prøvd å redusere antallet hulrom i aluminiumen for å begrense muligheten kobberatomene har for å bevege seg.
Nå har Li og kollegaene funnet en måte for å øke antallet hulrom i materialet istedenfor å redusere dem. Samtidig har de økt styrken på legeringen.
– Om det ikke finnes hulrom, kan atomene så klart ikke bevege seg, sier Li.
Men nå har Li og kollegaene tvert imot funnet en måte for å øke antallet hulrom i materialet istedenfor å redusere dem. Samtidig har de økt styrken på legeringen.
Forskningen er delvis finansiert av Forskningsrådet og nå er en artikkel om arbeidet publisert i Nature Communications.
(Venstre.) Alene kan kobberatomene lett bevege seg gjennom materialet ved å bytte posisjon med hulrommene i materialet. (Midten) Som en konsekvens av dette klumper kobberet seg lett, og former store klumper sammen med aluminium. (Høyre.) Men kombinert med både scandiumatomer og hulrommene lager kobberet mer stabile strukturer. Illustrasjon: Yanjun Li, NTNU
Nye strukturer gjør legeringen med aluminium sterkere
I tillegg til kobberatomer tilsatte forskerne atomer av grunnstoffet scandium til aluminiumet. Dette økte altså antallet hulrom i materialet. Men scandium- og kobberatomene, sammen med hulrommene, dannet strukturer sammen som ikke så lett greide å bevege seg i materialet.
– Sammen er disse strukturene svært stabile, sier Li. – Det blir mer vanskelig for dem å bevege seg.
Takket være de nye strukturene av scandium og kobber, dannet ikke partiklene av kobber og aluminium seg i det hele tatt. Det ble ingen slike klumper i materialet. Dette gjaldt selv når den nye legeringen ble utsatt for 200 grader i 24 timer.
Denne stabiliteten betyr at kobberatomene forblir jevnt fordelt gjennom hele materialet, og at legeringen bevarer styrken.
Brukte avansert teknologi kalt APT
Forskningslaget observerte de nye strukturene ved hjelp at såkalt «atom probe tomography» eller APT. Dette er en teknikk som gjør det mulig å se hva som skjer på atomnivå innen i et materiale.
Doktorgradsstudenten Hanne Søreide lagde svært tynne nåler av det nye materialet på bare 50 nanometer i diameter. 50 nanometer tilsvarer 0,00005 millimeter, så det er skikkelig smått. Dette gjorde hun ved hjelp av NTNU NanoLabs FIB, eller «focussed ion beam».
Deretter brukte hun APT for å fordampe ett og ett atom fra tuppen av disse nålene. En detektor skaffet informasjon om disse atomene.
Forskerne kunne rekonstruere et bilde av hvor hvert enkelt atom opprinnelig hadde befunnet seg i materialet.
– Ulike atomer flyr raskere eller saktere, sier professor Li.
Ved hjelp av denne informasjonen kunne forskerne rekonstruere et bilde av hvor hvert enkelt atom opprinnelig hadde befunnet seg i materialet. På denne måten så de at atomer fra de to ulike tilsetningene knyttet seg sammen inne i aluminiumet.
– De binder seg sammen. Dette kan vi detektere med kobber og aluminium, sier Li. – De binder seg faktisk svært tett til hverandre.
Forskerne bekreftet funnene ved hjelp av «transition electron microscopy» eller TEM.
Har allerede laget en sterkere legering
Li sier forskningslaget allerede har brukt disse funnene til å lage en aluminiumslegering som er 50 prosent sterkere enn legeringer med den samme mengden kobber som i dag er tilgjengelig kommersielt.
– Dette er ikke en enkel oppgave for aluminium, sier han.
Materialene Li og kollegaene har laget i laboratoriet er ennå langt fra tilgjengelige for bruk i industrien. Men materialer som bevarer styrken ved høye temperaturer er nyttige i motorer og til annen bruk på områder der deler blir varme.
Når vi virkelig forstår materialet på atomnivå, får vi hjelp til å utvikle nye legeringer, nye materialer med enda høyere styrke.
NTNUs atom probe-laboratorium er den første i sitt slag i Norge. Li og kollegaene håper de kan bruke APT for å finne nye materialer med ønskede egenskaper.
– Når vi virkelig forstår materialet på atomnivå, får vi hjelp til å utvikle nye legeringer, nye materialer med enda høyere styrke, sier Li. – Uten hjelpen fra dette instrumentet er det nesten umulig å forstå disse materialene.
Norges forskningsråd støtter Geminisenteret Norwegian Laboratory for Mineral and Materials Characterisation, MiMaC, NorTem, samt NTNU NanoLab gjennom NorFab.
Referanse: Wu, S., Soreide, H.S., Chen, B. et al. Freezing solute atoms in nanograined aluminum alloys via high-density vacancies. Nat Commun 13, 3495 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31222-6
