25 jan. 2021
2 minuten
Metallurgen hebben allerlei manieren om een stuk metaal harder te maken. Ze kunnen het buigen, verdraaien, tussen twee rollen laten lopen of erop slaan met een hamer. Deze methoden werken door de korrelstructuur van het metaal te verbreken – de microscopisch kleine kristallijne domeinen die een groot stuk metaal vormen. Kleinere korrels zorgen voor hardere metalen. Nu heeft een groep onderzoekers van Brown University (VS) een manier gevonden om metalen korrelstructuren van onderaf aan te passen.
In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Chem, laten de onderzoekers een methode zien om individuele metalen nanoclusters samen te voegen tot solide brokken vast metaal op macroschaal. Mechanische tests lieten zien dat ze tot vier keer harder waren dan natuurlijk voorkomende metaalstructuren. Andere eigenschappen zoals elektrische geleiding en lichtreflectie waren vrijwel identiek aan standaard metalen.
"De bestaande hardingsmethoden zijn allemaal top-down manieren om de korrelstructuur te veranderen en het is erg moeilijk om de korrelgrootte te bepalen waarmee je uiteindelijk eindigt", zegt auteur Ou Chen. "Wij hebben bouwstenen van nanodeeltjes gemaakt die samensmelten als ze samenperst. Zo kan je uniforme korrelgroottes creëren die nauwkeurig kunnen worden getuned voor verbeterde eigenschappen."
De onderzoekers maakten ‘munten’ op centimeterschaal met nanodeeltjes van goud, zilver, palladium en andere metalen. Dingen van deze omvang kunnen nuttig zijn voor het maken van hoogwaardige coatingmaterialen, elektroden of thermo-elektrische generatoren. Maar de onderzoekers denken dat het proces ook gemakkelijk kan worden opgeschaald om superharde metalen coatings of grotere industriële componenten te maken.
De sleutel tot het proces, zegt Chen, is de chemische behandeling die wordt gegeven aan de bouwstenen van nanodeeltjes. Metalen nanodeeltjes zijn meestal bedekt met organische moleculen, liganden genaamd, die in het algemeen de vorming van metaal-metaalbindingen tussen deeltjes voorkomen. Chen en zijn team hebben een manier gevonden om die liganden chemisch weg te strippen, waardoor de clusters met een beetje druk samensmelten.
Er was een dramatische kleurverandering toen de nanodeeltjes werden samengeperst tot bulkmetaal. "Vanwege het plasmonische effect zijn gouden nanodeeltjes eigenlijk paarszwart van kleur. Maar als we druk uitoefenen, zien we deze paarsachtige clusters plotseling veranderen in een heldere gouden kleur. Dat is een van de manieren waarop we wisten dat we daadwerkelijk bulkgoud hadden gevormd."
Metallisch glas
In theorie zou de techniek kunnen worden gebruikt om elk soort metaal te maken. Chen en zijn team hebben zelfs metallisch glas gemaakt. Dit materiaal is amorf, wat betekent dat het de zich regelmatig herhalende kristallijne structuur van normale metalen mist. Dat geeft aanleiding tot opmerkelijke eigenschappen. Metallisch glas is gemakkelijker te vormen dan traditionele metalen, kan veel sterker en beter bestand zijn tegen scheuren, en vertoont supergeleiding bij lage temperaturen.
"Het maken van metallisch glas uit een enkele component is notoir moeilijk, dus het zijn meestal legeringen", zegt Chen. "Maar wij konden beginnen met amorfe palladiumnanodeeltjes en onze techniek gebruiken om een palladiummetaalglas te maken."
Chen wil de techniek nu opschalen zodat hij kan worden gebruikt voor commerciële producten. "De chemische behandeling die op de nanoclusters wordt gebruikt, is vrij eenvoudig en de druk die wordt gebruikt om ze samen te persen, valt ruim binnen het bereik van standaard industriële apparatuur." Hij heeft de techniek gepatenteerd.
Anderen lazen ook
