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Glas, das stärker ist als Stahl
In der Welt der Materialien sind Festigkeit (die Kraft, der eine Substanz standhalten kann) und Zähigkeit (ihre Fähigkeit, Bruch zu widerstehen) nicht nur verschiedene Attribute; sie sind sehr schwer zusammen zu erreichen. Jetzt hat eine Zusammenarbeit von Forschern des Caltech und des Lawrence Berkeley National Laboratory des Department of Energy eine Form von Glas geschaffen, die beide Eigenschaften hat. Es ist stärker und widerstandsfähiger als Stahl oder jedes andere bekannte Material. Als Material kommt Palladium zum Einsatz, ein Metall, dessen mögliche Verwendung in Brillen bereits vor 45 Jahren erkannt wurde.
Bruchsicher: Eine elektronenmikroskopische Aufnahme nach einem Biegetest. Die Probe brach nicht.
Es ist wahrscheinlich das beste schadenstolerante Material, das wir je gesehen haben, sagt Robert Ritchie , einem Professor an der University of California, Berkeley, der das neue Material getestet hat. Er sagt, dass noch nie jemand eine solche Zähigkeit aus 100 Prozent Glas erreicht habe und dass das Potenzial für eine Massenproduktion des Glases bestehe.
Julia Greer , ein Assistenzprofessor für Materialwissenschaften am Caltech, der nicht an der Entwicklung des Materials beteiligt war, sagt, es habe das Potenzial, die Einschränkungen zu überwinden, die metallische Gläser immer hatten.
Die Arbeit wird in einer Studie skizziert, die diese Woche in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturmaterialien . Marios Demetriou , ein Professor am Caltech und Hauptautor des Papiers, sagt, dass die Arbeit darin bestand, eine besonders starke Version der einfachsten Form von Glas, genannt Randglas, zu finden und sie dann in die noch stärkere Form zu verwandeln, die als Bulk-Glas bekannt ist.
Was wir hier gemacht haben, ist ein sehr, sehr zähes Randglas aus Palladium mit geringen Anteilen von Halbmetallen wie Phosphor, Silizium und Germanium zu finden, das einen Millimeter dicke Proben ergab. Und wir haben gerade gesagt, lasst uns sehr wenig von etwas hinzufügen, das es massiv macht, ohne es spröde zu machen, sagt Demetriou. Durch die Zugabe von 3,5 Prozent Silber zu diesem Randglas konnte Demetriou die Dicke auf sechs Millimeter erhöhen und gleichzeitig seine Zähigkeit beibehalten.
Die Achillesferse dieser metallischen Brillen sei, dass sie katastrophal versagen, wenn man sie unter Spannung ziehe oder versuche, sie irgendwie zu verformen, sagt Greer. Dies geschieht durch die Bildung von sogenannten Scherbändern, kleinen Defekten, die zu venenartigen Mustern zusammenwachsen, die sich schnell als Risse entwickeln und das Glas bei extrem geringen Belastungen brechen lassen. Das Palladiumglas erzeugt jedoch laut den Forschern so viele dieser Bänder, dass sie ein Sperrmuster bilden, das die Ausbreitung von Rissen verhindert, ohne die Gesamteigenschaften des Materials zu beeinträchtigen.
Ritchie sagt, dass es möglicherweise möglich ist, andere Elemente zu kombinieren, um noch bessere Brillen herzustellen. John Lewandowski , Professor für Metallurgie an der Case Western Reserve University, sagt: Eines der Ergebnisse dieses Projekts wird sein, eine Menge Arbeit in verwandten Bereichen anzuregen, die Details zu untersuchen, zu modellieren, Temperatureffekte zu analysieren oder was passiert, wenn man es testet.
Die Einschränkung sind die sehr hohen Kosten von Palladium. Daher, sagt Ritchie, werden sich viele von ihnen, obwohl es unzählige strukturelle Anwendungen gibt, die die hohe Festigkeit und Zähigkeit dieses Materials nutzen könnten, wie Automobil- und Luft- und Raumfahrtkomponenten, als unpraktisch auf dem Markt erweisen.
Demetriou ist optimistischer. Er glaubt, dass es bereits Nachfrage nach metallischem Glas gibt und sagt, dass ein Produkt wie ein Zahnimplantat aus diesem Material innerhalb der nächsten fünf Jahre erhältlich sein könnte. Dies wäre eine überlegene Alternative zu herkömmlichen Implantaten aus Edelmetallen, die weicher und steifer sind und daher eher verschleißen oder Knochenschwund verursachen.
Der erste Schritt sei, einen Hersteller davon zu überzeugen, dass das Material einzigartige und ungewöhnliche Eigenschaften besitzt, sagt er. Dann sind eine Reihe von Tests der Leistung, Langlebigkeit und biologischen Verträglichkeit erforderlich, bevor letztendlich festgestellt wird, ob der Preis wettbewerbsfähig ist.
Was die Herstellung großformatiger Strukturen wie Brücken betrifft, so Demetriou, würden die Kosten dies wahrscheinlich verhindern. Aber er hofft, etwas Billigeres entwickeln zu können. Wenn wir eine Eisen- oder Kupferlegierung mit diesen Eigenschaften entwickeln, sage ich Ihnen: Wir machen Stahl für immer aus dem Geschäft.