yüksek entropi alaşımları

Elinvar, yüksek entropi alaşımlarının var olmasına izin veren, sihirle sınırlanan ilkeler kullanılarak insanoğlu tarafından yaratılmış, imkansız görünen yeni bir malzeme olan bir tek boynuzlu attır.

Elinvar, her ders kitabını yere indirecek olağanüstü bir özelliğe sahiptir: ısıtıldığında sertliğini artıran bir metaldir. Onu nerede kullanacağız? Henüz büyük ölçekte üretilmesi bile mümkün değil. Bu, dünyanın önde gelen laboratuvarlarında ve araştırma merkezlerinde oluşturulmakta olan yeni bir çağın sadece bir örneğidir: yüksek entropili alaşımlar çağı.

Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) ve ABD Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı (AFRI) bunları araştırmak için büyük yatırımlar yaptı. senin raporun Yüksek Entropi Alaşımının Devrimsel Potansiyelini Gerçekleştirme Yollarının Tanımlanması ABD’deki en iyi laboratuvarları, üniversiteleri ve uzman araştırmacıları bünyesine katmıştır. İnsanlık tarihi boyunca olduğu gibi, gelecek malzemeleri kontrol edenin dünyaya hakim olması çok olasıdır.

Bakırın kastettiği siyasi güç

MÖ 8000 yıl önce, bir insan, merakıyla hareket ederek, kırsalda yürürken bulduğu bir parça yerli bakırı aldı ve ona çarptığında, deforme olduğunu, sertleştiğini ve farklı biçimler alabileceğini keşfetti. İnsanlık Neolitik Çağ’da yaşamış ve taştan veya tahtadan yapılmış birçok aletin yerini bakır aletler almıştır. Bunlar sadece alet değil, aynı zamanda çok etkili bakır silahlar da geliştirildi. Bu sırrı bilen halklar dünyaya hakim oldular. Bakır Çağı, Kalkolitik dönem doğdu.

Birkaç bin yıl sonra, MÖ 5.000 civarında, günümüz Türkiye’sine yakın bir yerde, muhtemelen alacakaranlıkta kamp ateşlerinin hayallerinden esinlenerek, diğer insanlar bol miktarda sıvı bakırın belirli özelliklere sahip kumlardan (malakit ve azurit) çıkarılabileceğini keşfettiler. bakır karmaşık şekillerde kalıplanabilir.

Dünya bir metal deposudur

İnsanoğlu, Dünya’nın bir metal deposu olduğunu keşfetmişti; bu depodan, nasıl yapıldığını bilerek, sihirli özelliklere sahip materyaller çıkarılabiliyordu.

Bakır işçileri için, MÖ 3.000 civarında ve dünyanın o bölgesinden çok uzak olmayan bir yerde, biraz kalay ekleyerek ortaya çıkan malzemenin daha sert ve daha dayanıklı olduğunu keşfetmeleri 2.000 yıl daha aldı. Devrim niteliğinde bir formül böyle doğdu: Toplamın ayrı parçalardan çok daha iyi olduğu alaşım ve onunla birlikte Bronz Çağı.

Tarih boyunca malzemelerin sırlarını bilenler dünyaya hükmetti ve bu nedenle tarihsel dönemleri düşmanlarımızdan daha güçlü alet ve silahlar yapmamızı sağlayan malzemenin adı ile adlandırdık: taş, bakır, bronz, demir… silikon, karbon?

Teknolojik limitler alaşımların mucizesini durdurdu

Alaşım yapma olasılığı sonsuz görünüyordu, ancak bir metalde diğerlerinin eklenmesiyle elde edilebilecek özelliklerin bir sınırı var. Belirli miktarlarda eklenen bileşenlerden, elde edilen alaşım yerine geliştirmekkırılganlık gibi olumsuz özellikler sunmaya başlar.

O zamandan bugüne metalürjistler, kullanılabilecek alaşımların sayısı ve yüzdesinin bir sınırı olduğunu biliyorlardı.

19. yüzyılın sonunda, Sir Henry Clifton Sorby, metallerin mikroyapısının gözlemlenmesini sağlayan mikroskobu geliştirerek çeliğin mikro yapısını ortaya çıkardı. Daha sonra, özelliklerin kaybının görünümüyle ilişkili olduğunu öğrendik. aşamalar Bu mikro yapıda ortaya çıkan ve bu, belirli oranlarda alaşım elementlerine ulaşıldığında meydana gelen, normalde kırılgan olan kompleks (metaller arası bileşikler).

Böylece, sınırın bir veya iki basit fazda olduğunu anladık (normalde kübik olarak adlandırılır, çünkü atomlar küpler şeklinde organize edilmiştir), böylece bir alaşımın özellikleri optimal olur.

Sınırları belirleyen dört kural

1938’de metalurji kimyacısı William Hume-Rothery, bunun neden olduğunu açıklayan bazı kurallar (dört Hume-Rhotery kuralı) tanımladı. Eğer iki alaşım elementi arasında bu kurallara uyulmazsa, ikisinin atomlarının bu küplerin pozisyonlarını işgal ettiği yerde tek bir faz oluşmayacak ve dolayısıyla malzemeyi daha da kötüleştirecek olan daha karmaşık fazlar oluşacaktır.

Bu dört kural, atomların özelliklerinin temel yönleriyle (boyut, elektronegatiflik, değerlik, aynı boyut ve konfigürasyondaki küplerde organize olma veya organize olmama eğilimi) bağlantılıdır ve 5.000 yıldan fazla bir süredir alaşımları yöneten kurallardır.

yüksek entropi

Ama 2004’te her şey değişti. Brian Cantor ve Jien-Wei Yeh (aynı anda ve farklı yerlerde, büyük bilimsel dönüm noktalarında çok olağan bir şey) liderliğindeki iki araştırma grubu, karışımın entropisi yeterince yüksekse, belirli bir değerin üzerindeyse, alaşımların alaşımlarını keşfetti ve gösterdi. atomların küpün farklı yerlerini belirsiz bir şekilde işgal ettiği tek bir basit faz elde edilebilir.

Entropi, herhangi bir malzemenin moleküllerinin daha büyük veya daha az düzensizliğini ölçer. Bu düzensizliği hesaba katarak ve binlerce yıl sonra Cantor ve Yeh, Hume-Rothery kurallarına uymadan tek bir fazın birçok bileşeninin alaşımlarının oluşturulabileceğini göstererek, olası canlı alaşımları sınırsız bir şekilde artırarak sınırları aştılar. yol. Böylece konsept doğdu ve yüksek entropi alaşımlarının kökeni oldu.

Başlangıçta, yalnızca tüm bileşenlerin aynı oranda olduğu karışımlar düşünüldü, ancak kavram hızla birçok metalin karışımlarını kapsayacak şekilde genişletildi, ancak mutlaka eş atomlu (atom sayısında denge ile) gerekli değildi.

Metal dünyasındaki bu devrim, yüksek entropi alaşımlarının özelliklerini değerlendirirken vurgulandı. Elde edilen malzemeler, yüksek sıcaklık, manyetik özellikler, hidrojen depolama vb. alanlarda en iyi bilinen alaşımlarla rekabet edebilir.

Sadece 18 yılda, Cantor ve Yeh’in ilk iki yayınından geçen yıl 5.000’den fazla ilgili yayına çıktı.

Bronz veya çeliğe benzer bir keşifle karşı karşıyayız. Bugün sahip olduğumuz malzemeler, mevcut tüm teknolojik kullanımlarda sınırda ve küçük iyileştirmeler bu teknolojilerin dev sıçramalar yapmasını sağlayabilir. Yüksek entropi alaşımları bu tür iyileştirmeler vaat ediyor.

Dünyayı iyileştirmesini umduğumuz özellikler

Yüksek entropili alaşımlar oluşturmak için element kombinasyonları neredeyse sınırsızdır, ancak yeni simülasyon tekniklerine rağmen, keşif ve geliştirme arasındaki gecikme ve yeni bir özel uygulama için yeni bir malzeme kullanma olasılığı, özellikle aşağıdaki gibi alanlarda uzun yıllar alabilir. biyosıhhi veya havacılık.

Muhtemel element kombinasyonlarının çoğunda, elde edilmesi zor, pahalı ve yanlış kullanıldığında sağlığa zararlı etkileri olan kritik metaller bulunur. Alternatifleri bulmak, Malzeme Biliminde de bir zorluktur.

Çok bileşenli alaşımlar ayrıca elektronik madenciliğinde ayrılması zor metallerin geri dönüşümü için çıkış noktası olabilir. Alaşımlardan başlayarak yüksek entropili alaşımlar geliştirmenin mümkün olduğunu gösteren çalışmalar zaten var. mallar IMDEA malzemelerinden gelişimine katıldığımız diğer kullanımlar için zaten üretilmiştir.

İnsanlığın yeni bir çağının, Yüksek Entropi Alaşımları Çağının başlangıcında mıyız? Bunu olumlamaya izin veren bakış açısına sahip olmak için yüzyıllar geçecek ama güzel göründüğünü de inkar etmeyelim.