Herstellung flüssiger Metalle fließen wie Honig

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Metalle sind eines der am häufigsten verwendeten Materialien in der modernen Welt gebaut, gefunden in alles von Gebäuden, um Flugzeuge zu Smartphones. Während die meisten Metalle von der Erde abgebaut werden, haben Wissenschaftler vor kurzem eine neue Generation von Metallen im Labor erstellt. Diese sogenannte Bulk metallische Gläser haben einzigartige Eigenschaften. Sie sind stärker und härter als herkömmliche Metalle, aber wie Plastik gebildet werden können. Das klingt erstaunlich. Was verbirgt sich hinter ihrer besonderen Merkmale?

Mit dem bloßen Auge diese Labor gefertigte Materialien sehen aus wie normale Metalle, sondern sind glatter und sehr glänzend. Das Geheimnis hinter ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften hat mit ihrer Struktur auf atomarer Ebene zu tun. Meine Kollegen (bei UdS und OSU) und ich unternahm neue Forschung mit hochenergetischen Röntgenlicht, um einige der ihre Geheimnisse zu lüften. Wir haben festgestellt, dass das Verhältnis zwischen Masse metallische Gläser atomarer Skala Struktur und ihre sichtbaren Skala Viskose Strömung – im wesentlichen was wie dicke Honig oder dünne Wasser fließen können.

Super stark und können auch Fluss

Bulk metallische Gläser bestehen aus mehreren Komponenten, einschließlich Zirkonium, Kupfer, Nickel, Aluminium, Gold und Platin. Sie weisen eine sehr hohen Festigkeit. Wenn Sie reißen, biegen oder ein Stück von einem dieser Metalle bedrängen, ist es so stark, dass es sehr schwierig ist, dauerhaft verformt. Es kann viel mehr Verformungsenergie als jede andere Metalle, so dass es eine ideale Federmaterial speichern.

Aber was macht Masse metallische Gläser einzigartig ist, dass ihre große Stärke ist kombiniert mit der Fähigkeit, fließen wie eine dicke Flüssigkeit, wenn in einem speziellen flüssigen Zustand unterkühlten, die regelmäßige Metalle nicht erreichen können. Wenn auf einem bestimmten Temperaturbereich erhitzt, fließen sie wie viskose Flüssigkeit. Dies macht es möglich, diese spezielle Metalle durch die heiß-Bildung in der Regel verwendet für traditionelle Gläser und Kunststoffe Verarbeitung zu Formen. Im Prinzip können Sie auch die Metalle Schlag, wie Sie mit einer Flasche Brille würden.

Alle Metalle in der Natur haben eine regelmäßige Anordnung von Atomen, zu wiederholen, wo sind Atome fast einheitlich in einem dreidimensionalen Gitter gestapelt. Im Gegensatz dazu haben diese Labor hergestellte Masse metallischen Gläsern eine mehr oder weniger zufällige Atomanordnung. Dies ist weil sie, durch die Kühlung gebildet werden flüssiges Material so schnell erhitzt, dass Atome "eingefroren" auf ihre aktuellen Positionen; Es unterhält die amorphe Struktur einer Flüssigkeit.

Normalen Metallen leiden bestimmte Mängel, die weithin in ihrer regelmäßigen, kristalline Struktur vorhanden sind. Wenn eine Kraft ausgeübt wird, helfen diese Mängel die Ebenen des organisierten Atome gleiten vorbei an einander; Diese Legierungen können somit relativ leicht dauerhaft verformt werden. Dies geschieht nicht in loser Schüttung metallischen Gläsern, da alle ihre Atome, nicht in einem geordneten Raster organisiert gemischt sind. Ihre Struktur heißt sie können viel größere Verformungen zu widerstehen oder zwingen, bis ihre Form dauerhaft geändert wird.

Aber wirklich ungewöhnliches Bulk metallische Gläser ist ihre Fähigkeit, wie eine dicke Flüssigkeit in ihren unterkühlten flüssigen Zustand – einen eindeutigen Zustand fließen, die sie in ziemlich stabil, während bei herkömmlichen Metallen zu erreichen fast unmöglich bleiben können. Zu einem Großteil metallisches Glas in diesen ungewöhnlichen Zustand, Sie Wärme es auf eine bestimmte Temperatur Bereich – in der Regel etwas mehr als zwei Drittel der unterkühlten des Weg zu seinem Schmelzpunkt – die so genannte flüssige Region. Die steigenden Temperaturen Taut die Atome, damit sie sich bewegen können. Sie Verhalten sich wie eine Flüssigkeit, sondern eine sehr dicke, langsam fließende. Die Nutzung dieser Region besondere Viskose Strömung, können Wissenschaftler bilden und gestalten die Geometrien der Masse metallische Gläser in komplexe Formen von "blow z. B. Formen," etwas, was andere Modi der Metallverarbeitung nicht bewältigen können.

Luxus-Uhrenhersteller lieben die Stärke und Formbarkeit dieser Materialien.

Es ist diese besondere Eigenschaften, die Masse metallische Gläser für Consumer-Elektronik-Anwendungen so attraktiv machen. Zurück im Jahr 2010 Gläser der Technologie-Giganten Apple einen Exklusivvertrag mit Liquidmetal Technologies für die Verwendung von metallischen Masse erreicht in ihren Produkten und Apple selbst hält Patente auf das neue Material einreichen. Luxus-Uhrenhersteller Swatch Group hat bereits die ungewöhnliche Metalle in ihrer Top-End-Marke Omega verwendet. Diese Hersteller legen Wert auf ihre Stärke und die Fähigkeit, sie in präzise komplexe Formen für kleine Bauteile zu gießen.

Schnallen Sie die x-ray-Spezifikationen

Es wurde ein großes Rätsel, warum metallische Gläser Masse zähflüssig sein kann. Und was macht einige Kompositionen zäher als andere? Um zu untersuchen, haben wir eine äußerst intensive Lichtquelle Röntgen um zu betrachten, die Materialien im Nanometerbereich – ein Milliardstel eines Meters. Wir wollten beobachten, wie die Atome selbst organisieren.

Wir verwendet den Teilchenbeschleuniger PETRA III am DESY, der weltweit brillantesten Strahlungsquelle, um das Licht zu erzeugen. Der Röntgenstrahl wird nicht nur milliardenfach heller als was in Krankenhäuser, Universitäten oder Industrielabors verwendet hat, aber auch sehr eng mit einer sehr kurzen Wellenlänge fokussiert. Solch ein Licht kann auch kleinste Veränderungen in atomaren Positionen erkennen. Der Erkennungsvorgang ist schnell genug, dass wir die strukturellen Veränderungen jede Sekunde überwachen können und wie wir die Temperatur von Grad zu erhöhen.

Meine Kollegen und ich fand, dass die Atomanordnung in loser Schüttung metallischen glasbildenden Flüssigkeiten viel Auftrag innerhalb von etwa einem Nanometer zeigt. Mit zunehmender Temperatur, die Struktur in einigen Abständen erweitert viel schneller als bei anderen, und tut dies in einem inkonsistenten Weise. Noch interessanter ist, sind Atome in einer bestimmten Entfernung "wichtiger" als andere, weil sie Hauptakteure bei der Bestimmung der Fähigkeit der viskosen Strömung.

Wir haben die wichtigsten Entfernung entspricht etwa drei bis vier atomare Durchmesser sein. Wenn sich Atome in einem Großteil metallisches Glas so organisieren, dass das lokale Laufwerk um die Atome in den wichtigsten Abstand mit steigender Temperatur schneller erweitert, als die unterkühlte Flüssigkeit in eine andere Masse metallisches Glas, viel "dünner" oder einfacher ist zu fließen als die andere.

Dies zeigt die Herkunft der Viskose Strömung Fähigkeit im atomaren Maßstab Struktur und erklärt, welche Atomanordnung einer Komposition zähflüssiger als das andere machen kann. Je langsamer die Atome entwickeln ihre besondere komplexe Ordnung an, dass entscheidende drei bis vier atomare Durchmesser Abstand, desto zähflüssiger ist das Material. Mit diesem Wissen über Struktur wird es möglich, die Viskosität Vorhersagen durch die Kenntnis der Atomanordnung ein Großteil metallisches Glas und simuliert die Bewegung von Atomen durch Computer – vor, so dass es in einem Labor.

Unsere Feststellung deutet darauf hin, wie in der Zukunft wir gewünschte Eigenschaften von Ingenieurbauwerken atomarer Skala in dieser neuen Generation von Metallen passen könnte.

Shuai Wei ist Feodor Lynen Postdoctoral Research Fellow in Chemie & Biochemie-Abteilung an der Arizona State University.

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