Gli scienziati dei materiali della Duke University e della UC San Diego hanno scoperto una nuova classe di carburi che dovrebbe essere tra i materiali più duri con i punti di fusione più alti esistenti. Realizzato con metalli economici, i nuovi materiali potrebbero presto trovare impiego in un'ampia gamma di settori, dai macchinari e hardware all'aerospaziale.

Un carburo è tradizionalmente un composto costituito da carbonio e un altro elemento. Se abbinato a un metallo come il titanio o il tungsteno, il materiale risultante è estremamente duro e difficile da fondere. Ciò rende i carburi ideali per applicazioni come il rivestimento della superficie di utensili da taglio o parti di un veicolo spaziale.

Esiste anche un piccolo numero di carburi complessi contenenti tre o più elementi, ma non si trovano comunemente al di fuori del laboratorio o nelle applicazioni industriali. Ciò è dovuto principalmente alle difficoltà di determinare quali combinazioni possono formare strutture stabili, figuriamoci avere proprietà desiderabili.

Un team di scienziati dei materiali della Duke University e dell'UC San Diego ha annunciato la scoperta di una nuova classe di carburi che unisce il carbonio con cinque diversi elementi metallici contemporaneamente. I risultati appaiono online il 27 novembre sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Raggiungere la stabilità dalla miscela caotica dei loro atomi piuttosto che dalla struttura atomica ordinata, l'esistenza di questi materiali è stata prevista computazionalmente dai ricercatori della Duke University e poi sintetizzati con successo presso l'UC San Diego.

"Questi materiali sono più duri e più leggeri degli attuali carburi, " disse Stefano Curtarolo, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke. "Hanno anche punti di fusione molto alti e sono realizzati con miscele di materiali relativamente economici. Questa combinazione di attributi dovrebbe renderli molto utili per una vasta gamma di industrie".

Quando gli studenti imparano a conoscere le strutture molecolari, sono mostrati cristalli come il sale, che assomiglia a una scacchiera 3D. Questi materiali acquisiscono la loro stabilità e resistenza attraverso regolari, legami atomici ordinati in cui gli atomi si incastrano come pezzi di un puzzle.

Imperfezioni in una struttura cristallina, però, può spesso aggiungere forza a un materiale. Se le crepe iniziano a propagarsi lungo una linea di legami molecolari, Per esempio, un gruppo di strutture disallineate può fermarlo. L'indurimento dei metalli solidi creando la perfetta quantità di disordine si ottiene attraverso un processo di riscaldamento e tempra chiamato ricottura.

La nuova classe di carburi a cinque metalli porta questa idea al livello successivo. Eliminando ogni dipendenza da strutture e legami cristallini per la loro stabilità, questi materiali si affidano completamente al disordine. Mentre una pila di palle da baseball non sta in piedi da sola, un mucchio di palle da baseball, scarpe, pipistrelli, cappelli e guanti potrebbero farlo.

La difficoltà sta nel prevedere quale combinazione di elementi rimarrà stabile. Cercare di creare nuovi materiali è costoso e richiede tempo. Il calcolo delle interazioni atomiche attraverso le simulazioni del primo principio lo è ancora di più. E con cinque slot per elementi metallici e 91 tra cui scegliere, il numero di potenziali ricette diventa rapidamente scoraggiante.

"Per capire quali combinazioni si mescoleranno bene, devi fare un'analisi spettrale basata sull'entropia, " ha detto Pranab Sarker, un associato post-dottorato nel laboratorio di Curtarolo e uno dei primi autori del documento. "L'entropia richiede molto tempo ed è difficile da calcolare costruendo un modello atomo per atomo. Quindi abbiamo provato qualcosa di diverso".

Il team ha prima ristretto il campo degli ingredienti a otto metalli noti per creare composti di carburo con elevata durezza e temperature di fusione. Hanno quindi calcolato quanta energia sarebbe necessaria per un potenziale carburo di cinque metalli per formare un ampio insieme di configurazioni casuali.

Se i risultati fossero distanti tra loro, indicava che la combinazione avrebbe probabilmente favorito una singola configurazione e sarebbe andata in pezzi, come avere troppe palle da baseball nel mix. Ma se ci fossero molte configurazioni strettamente ammassate insieme, indicava che il materiale avrebbe probabilmente formato molte strutture diverse tutte in una volta, fornendo il disordine necessario per la stabilità strutturale.

Il gruppo ha poi testato la sua teoria facendo in modo che il collega Kenneth Vecchio, professore di Nanoingegneria all'UC San Diego, tentare di fare effettivamente nove dei composti. Questo è stato fatto combinando gli elementi di ogni ricetta in una forma finemente polverizzata, premendoli a temperature fino a 4, 000 gradi Fahrenheit e con 2000 Ampere di corrente direttamente attraverso di essi.

"Imparare a lavorare questi materiali è stato un compito difficile, "ha detto Tyler Harrington, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Vecchio e co-autore del paper. "Si comportano in modo diverso rispetto a qualsiasi materiale con cui abbiamo mai avuto a che fare, anche i carburi tradizionali."

Hanno scelto le tre ricette che il loro sistema riteneva più probabile per formare un materiale stabile, i due meno probabili, e quattro combinazioni casuali che hanno segnato nel mezzo. Come previsto, i tre candidati più probabili hanno avuto successo mentre i due meno probabili no. Anche tre dei quattro marcatori intermedi hanno formato strutture stabili. Mentre è probabile che i nuovi carburi abbiano proprietà industriali desiderabili, spiccava una combinazione improbabile:una combinazione di molibdeno, niobio, tantalio, vanadio e tungsteno chiamato in breve MoNbTaVWC5.

"Riuscire a combinare questo insieme di elementi è fondamentalmente come cercare di comprimere un gruppo di quadrati ed esagoni, " ha detto Cormac Toher, un professore assistente di ricerca nel laboratorio di Curtarolo. "Seguire solo l'intuizione, non penseresti mai che una combinazione sia fattibile. Ma si scopre che i migliori candidati sono in realtà controintuitivi".

"Non conosciamo ancora le sue proprietà esatte perché non è stato completamente testato, " disse Curtarolo. "Ma una volta che lo avremo portato in laboratorio nei prossimi due mesi, Non sarei sorpreso se risultasse essere il materiale più duro con il punto di fusione più alto mai prodotto".

"Questa collaborazione è un team di ricercatori focalizzato sulla dimostrazione delle implicazioni uniche e potenzialmente rivoluzionarie di questo nuovo approccio, " ha affermato Vecchio. "Stiamo utilizzando approcci innovativi alla modellazione dei principi primi combinati con sintesi all'avanguardia e strumenti di caratterizzazione per fornire la metodologia integrata 'a circuito chiuso' così necessaria per la scoperta di materiali avanzati".