Інженери створили тверде та пружне металічне скло

Інженери Університету Південної Каліфорнії отримали новий вид металічного скла, що відрізняється підвищеною пружністю. Матеріал поєднує в собі, здавалося б, непоєднувані властивості – твердість, міцність та еластичність. Матеріал, що отримав технологічну назву SAM2X5–630, має найвище ударну міцність з усіх відомих металічних стекол.

Металічні стекла, або аморфні метали – клас металічних твердих тіл з аморфною структурою. На відміну від металів з їх кристалічною структурою – у аморфних металів вона аналогічна атомній структурі переохолоджёних розплавів.

Відео https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=iVUygQforFI (ліворуч стрибає кулька з нового металічного скла, праворуч – зі звичайної сталі).

Матеріал здатний витримувати сильні удари, при цьому він не кришиться і не ламається, а повертає первинну форму. Потенціал його застосування практично безмежний – починаючи від свердел і бронежилетів і закінчуючи імплантатами для зміцнення кісток та захистом космічних супутників.

Зазвичай аморфні метали отримують нагріванням до 630°C, а потім дуже швидким (близько градуса в секунду) охолодженням. Матеріал SAM2X5–630 був отриманий нагріванням порошкоподібного складу на основі заліза (Fe_49.7Cr_17.7Mn_1.9Mo_7.4W_1.6B_15.2C_3.8Si_2.4).

Унікальні властивості металу отримані завдяки вдалому поєднанню температури нагрівання та швидкості охолодження – саме такі умови, які випробував отриманий склад, призводять до утворення локальних осередків слабко вираженої кристалічної структури. Інші умови нагріву або охолодження призводять до отримання повністю аморфних металів з випадковим розташуванням атомів.

«У нього майже відсутня внутрішня структура, і в цьому він схожий на скло, але при цьому зустрічаються ділянки з кристалізацією,– говорить Вероніка Ельясон [Veronica Eliasson], асистент-професор Інженерної школи ім. Вітербі при університеті, і провідний автор роботи. – Ми поки що не розуміємо, чому невелика кількість кристалізованих ділянок в металічних стеклах призводять к таких сильних відмінностей в реакціях на удар».

Динамічна межа пружності Гюгоніо (максимальна дія, яку матеріал витримує без незворотної деформації), була визначена для SAM2X5–630 близько 12 ГПа. У нержавіючої сталі цей показник дорівнює 0,2 ГПа, у карбіду вольфрама (використовуваного для створення твердих інструментів і сердечників бронебійних куль) – 4,5 ГПа, у алмазів – до 60 ГПа.

Вивчення аморфних металів розпочалось в 1960 році в Каліфорнійському технологічному інституті – групою вчених було отримано перше металічне скло Au₇₅Si₂₅. З тих пір було отримано велику кількість подібних матеріалів з цікавими властивостями, але поки що область їх практичного застосування неможна назвати широкою із-за їх високої вартості.

Наприклад, отриманий нещодавно в Японії Ti₄₀Cu₃₆Pd₁₄Zr₁₀ — неканцерогенний, в тричі міцніший за титан, мало зношується, при терті не утворює порошок, а по модулю поздовжньої пружності практично співпадає з людськими кістками – потенційно його можна буде використовувати як чудову штучну заміну суглобам.