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Aug 14, 2023

Chinesischer „Durchbruch“ ermöglicht die Herstellung von Legierungen mit verschiedenen Metallen bei niedrigeren Temperaturen

ktsimage/iStock Durch das Abonnieren stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden. Forscher am College of Chemistry and Molecular Sciences der Universität Wuhan in China

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Forscher am College of Chemistry and Molecular Sciences der Universität Wuhan in China haben einen bedeutenden „Durchbruch“ in der Materialwissenschaft erzielt, der die Herstellung von Legierungen aus einer Vielzahl von Metallen und bei viel niedrigeren Temperaturen als mit herkömmlichen Methoden ermöglicht, so die South China Morning Post gemeldet. Der Durchbruch besteht lediglich darin, der Mischung das Metall Gallium hinzuzufügen.

Seit der Bronzezeit haben Legierungen zum Fortschritt unserer Zivilisation beigetragen. Moderne Anwendungen von Legierungen umfassen die Schaffung und Herstellung von Hochentropielegierungen (HEAs), die aus fünf oder mehr metallischen Elementen bestehen.

HEAs sind äußerst verschleißfest und finden Anwendung in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Energieumwandlung und -speicherung sowie in medizinischen Geräten. Allerdings ist die Erzeugung von HEA eine energieintensive Angelegenheit, die Temperaturen von bis zu 3.632 Fahrenheit (2.000 Grad Celsius) erfordert. Dies ist jedoch keine Garantie für deren Bildung, da metallische Atome sehr inkompatibel sein können.

Herkömmliche Methoden zur Herstellung von HEAs umfassen das Erhitzen der Komponentenelemente auf Temperaturen von etwa 3.000 Fahrenheit und das anschließende schnelle Abkühlen vor dem Mischen. Allerdings funktioniert dieser Ansatz nicht jedes Mal, da die fünf Elemente nicht miteinander übereinstimmen und die Legierung spalten können, ähnlich wie bei einer Gruppe von fünf Menschen mit unterschiedlicher Natur und Persönlichkeit.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Fu Lei, Professor an der Universität Wuhan, fand heraus, dass die Zugabe von Gallium zur Legierungsmischung die Vorbereitungstemperaturen auf bis zu 1.200 Fahrenheit (650 Grad Celsius) senken kann.

Gallium hat eine Schmelztemperatur von nur etwa 30 Grad Celsius. Das bedeutet, dass das Metall einfach schmilzt, wenn man es in der Hand hält. Die Forscher verwendeten es jedoch als Reaktionsmedium und Klebstoff in einer Legierungszubereitung und fanden einige spannende Ergebnisse.

Die wissenschaftliche Welt kennt Gallium seit Jahrhunderten und seine Fähigkeit, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, hat in Filmen wie „Terminator“ sogar Science-Fiction-Filme über selbstheilendes flüssiges Metall inspiriert. Die Entdeckung von Fu und seinem Team war jedoch zu schön, um sie zu glauben.

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Tatsächlich wurde die Entdeckung vor zwei Jahren gemacht, aber nicht veröffentlicht, da eine wissenschaftliche Begutachtung nicht abgeschlossen werden konnte. Sogar Rezensenten von Zeitschriften wie Nature fanden die Entdeckung unglaublich und wollten weitere Beweise für den Prozess sehen, bevor sie das Manuskript akzeptierten.

Anschließend führte das Team zusätzliche Experimente und Berechnungen durch, um eine genauere Erklärung des zugrunde liegenden Mechanismus zu ermöglichen. Sie fanden außerdem heraus, dass sich die mit diesem Ansatz hergestellten Legierungen nicht von denen unterschieden, die mit herkömmlichen Methoden hergestellt wurden.

Die Forscher erklären nun, dass das Erhitzen kompatibler Metalle mit Gallium zum spontanen Wachstum kristalliner HEA-Nanopartikel führt. Sie waren auch in der Lage, Legierungen mit einer Vielzahl von Metallen zu synthetisieren, was mit herkömmlichen Ansätzen nicht möglich war.

Dies ist nicht das erste Mal, dass Forscher aus China als erste die Materialwissenschaft vorangebracht haben. Kürzlich demonstrierte eine andere Forschergruppe der Tsinghua-Universität eine Flüssigmetallbeschichtung, die eines Tages für Softroboter verwendet werden könnte.

Hochentropische Legierungsnanopartikel (HEA-NPs) weisen großes Potenzial als funktionelle Materialien auf1,2,3. Bisher waren die realisierten Hochentropielegierungen jedoch auf Paletten ähnlicher Elemente beschränkt, was das Materialdesign, die Eigenschaftsoptimierung und die mechanistische Erforschung für verschiedene Anwendungen erheblich behindert4,5. Hier haben wir entdeckt, dass flüssiges Metall, das anderen Elementen eine negative Mischungsenthalpie verleiht, einen stabilen thermodynamischen Zustand schaffen und als wünschenswertes dynamisches Mischungsreservoir fungieren kann, wodurch die Synthese von HEA-NPs mit einer Vielzahl von Metallelementen unter milden Reaktionsbedingungen realisiert werden kann. Die beteiligten Elemente weisen ein breites Spektrum an Atomradien (1,24–1,97 Å) und Schmelzpunkten (303–3.683 K) auf. Wir haben auch die präzise hergestellten Strukturen von Nanopartikeln durch Mischungsenthalpie-Tuning realisiert. Darüber hinaus wird der Echtzeit-Umwandlungsprozess (d. h. von flüssigem Metall zu kristallinen HEA-NPs) in situ erfasst, was ein dynamisches Spaltungs-Fusions-Verhalten während des Legierungsprozesses bestätigt.