Szkło, które jest mocniejsze niż stal

W świecie materiałów wytrzymałość (ilość siły, jaką substancja może wytrzymać) i twardość (jej odporność na pękanie) to nie tylko różne atrybuty; są bardzo trudne do osiągnięcia razem. Teraz współpraca naukowców z Caltech i Lawrence Berkeley National Laboratory z Departamentu Energii stworzyła formę szkła, która ma obie cechy. Jest mocniejszy i twardszy niż stal, a nawet każdy inny znany materiał. Materiał zawiera pallad, metal, którego zastosowanie w okularach zostało rozpoznane 45 lat temu.

Odporność na stłuczenie: Zdjęcie z mikroskopu elektronowego wykonane po próbie zginania. Próbka nie pękła.

To prawdopodobnie najlepszy materiał odporny na uszkodzenia, jaki widzieliśmy, mówi Robert Ritchie , profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, który przetestował nowy materiał. Mówi, że nikt nigdy nie osiągnął takiej wytrzymałości ze 100-procentowego szkła i że istnieje potencjał do masowej produkcji szkła.

Julia Greer , adiunkt na Wydziale Materiałoznawstwa w Caltech, który nie był zaangażowany w opracowywanie materiału, mówi, że może on przezwyciężyć ograniczenia, jakie zawsze miały szkła metaliczne.

Praca została opisana w badaniu opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie Materiały przyrodnicze . Marios Demetriou , profesor w Caltech i główny autor artykułu, mówi, że praca polegała na znalezieniu szczególnie mocnej wersji najprostszej formy szkła, zwanej szkłem marginalnym, a następnie przekształceniu jej w jeszcze mocniejszą formę znaną jako szkło luzem.

To, co tutaj zrobiliśmy, to znalezienie bardzo, bardzo wytrzymałego szkła brzeżnego wykonanego z palladu z małymi frakcjami metaloidów, takich jak fosfor, krzem i german, które dały próbki o grubości jednego milimetra. A my właśnie powiedzieliśmy, dodamy bardzo mało czegoś, co sprawi, że będzie się powiększało, ale nie stałoby się kruche, mówi Demetriou. Dodając 3,5 procent srebra do tego marginalnego szkła, Demetriou był w stanie zwiększyć grubość do sześciu milimetrów, zachowując jednocześnie jego wytrzymałość.

Piętą achillesową tych metalowych szkieł jest to, że kiedy je naciągasz lub próbujesz jakoś je odkształcić, zawodzą katastrofalnie, mówi Greer. Dzieje się to poprzez tworzenie tak zwanych pasm ścinania, małych defektów, które łączą się we wzory przypominające żyły, które szybko ewoluują w postaci pęknięć, powodując pękanie szkła pod bardzo małymi naprężeniami. Jednak według naukowców szkło palladowe generuje tak wiele takich pasm, że tworzą one blokujący wzór, który zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięć bez pogarszania ogólnych właściwości materiału.

Ritchie mówi, że możliwe jest połączenie innych elementów, aby stworzyć jeszcze lepsze okulary. John Lewandowski , profesor metalurgii z Case Western Reserve University, mówi: Jednym z wyników tego projektu będzie pobudzenie wielu prac w powiązanych obszarach, badanie szczegółów, modelowanie, analizowanie efektów temperaturowych lub tego, co dzieje się podczas testowania.

Ograniczeniem jest bardzo wysoki koszt palladu. Dlatego, mówi Ritchie, chociaż istnieje niezliczona ilość zastosowań konstrukcyjnych, które mogą wykorzystywać wysoką wytrzymałość i wytrzymałość tego materiału – jak komponenty samochodowe i lotnicze – wiele z nich okaże się niepraktycznych na rynku.

Demetriou jest bardziej optymistyczny. Uważa, że ​​istnieje już zapotrzebowanie na szkło metaliczne i mówi, że produkt, taki jak implant dentystyczny wykonany z tego materiału, może być dostępny w ciągu najbliższych pięciu lat. Twierdzi, że stanowiłoby to lepszą alternatywę dla tradycyjnych implantów wykonanych z metali szlachetnych, które są bardziej miękkie i sztywniejsze, a przez to bardziej podatne na zużycie lub powodowanie atrofii kości.

Pierwszym krokiem jest przekonanie producenta, że ​​materiał posiada unikalne i niezwykłe właściwości – mówi. Następnie konieczna będzie seria testów wydajności, trwałości i zgodności biologicznej, zanim ostatecznie określi się, czy cena będzie konkurencyjna.

Jeśli chodzi o tworzenie konstrukcji na dużą skalę, takich jak mosty, Demetriou mówi, że koszty prawdopodobnie temu zapobiegną. Ale ma nadzieję na opracowanie czegoś tańszego. Jeśli opracujemy stop żelaza lub miedzi o takich właściwościach, mówi, powiem ci to: na zawsze usuniemy stal z rynku.

ukryć