Superstrong silver may herald new era for metals / L'argento super resistente potrebbe inaugurare una nuova era per i metalli

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

University of Vermont scientist Frederic Sansoz holds a sliver of the world’s strongest silver. The new form of metal is part of a discovery that could launch technological advances from lighter aircraft to better solar panels. / Lo scienziato dell'Università del Vermont, Frederic Sansoz, detiene un frammento dell'argento più forte del mondo. La nuova forma di metallo fa parte di una scoperta che potrebbe lanciare progressi tecnologici da aerei più leggeri a pannelli solari migliori. Image: Joshua Brown

US team claim “new class of materials” by eliminating trade-off between strength and conductivity

Studies of the nanoscale behaviour of silver led to the creation of a type of the metal 42 per cent stronger than any previously recorded, but which retained all of the electrical conductivity of softer types of silver which, according to project coleader Frederic Sansoz, a materials scientist and mechanical engineer from the University of Vermont, could lead to advances in applications from aerospace to energy.

The key to the discovery, a collaboration between Vermont and the Lawrence Livermore National Laboratory, was the defects which naturally occur in every metal, caused by imperfect formation of the geometrical lattice of atoms that form the material. Sometimes these defects lead to unwanted properties, such as brittleness or softening. Sansoz and Lawrence Livermore lead scientist Morris Wang were attempting to solve a problem which has dogged material scientists: whenever an alloy is made to overcome one of these unwanted properties, the electrical conductivity drops.

Inside a grain of silver, copper atom impurities (in green) have been selectively segregated to a grain boundary (on the left) and into internal defects (long strings, streaming downward.) / All'interno di un granello d'argento, le impurità dell'atomo di rame (in verde) sono state selettivamente separate da un bordo del grano (a sinistra) e in difetti interni (lunghe stringhe, che scorrono verso il basso). Image: Frederic Sansoz, UVM

In a paper in Nature Materials, Sansoz and Wang describe how they doped silver with a small percentage of copper to control the behaviour of defects in the silver lattice. Only a trace amount of copper was required – less than one per cent by weight – but this produced a marked improvement in conductivity. The copper impurity turned two types of inherent nanoscale defect in the silver into a much stronger internal structure, the team explained.

The research exploited a property known as the Hall-Petch relation, where the smaller the micro crystals – regions of defect-free order – that compose a metal become, the stronger it gets. The Hall-Petch relation breaks down when the micro crystals are smaller than tens of nanometres across, as the boundaries between micro-crystals become unstable. When copper is introduced into the silver, it is attracted to the defects in the lattice, Sansoz said, and stops the boundaries between micro-crystals and another form of defect, known as coherent twin boundaries, from moving.

Coherent twin boundaries are structures of paired atoms that form a symmetrical mirror-like crystalline interface that under normal circumstances strengthens the metal by stabilising crystalline interfaces, but which also weaken as the space between the paired atoms falls below a few nanometres. Copper atoms, being slightly smaller than silver atoms, can stabilise the lattice but are at such low concentration that they do not interrupt the conductivity.

“The copper atom impurities go along each interface and not in between,” Sansoz explained. “So they don’t disrupt the electrons that are propagating through.”

The team called the new type of alloy a “nanocrystalline-nanotwinned metal” and in their paper they claim that these have “unprecedented mechanical and physical properties”. Not only does it overcome the softening previously seen as micro crystals and twin boundaries get too small, it overcomes the theoretical Hall-Petch limit at which crystal size reduction ceases to strengthen the material.

The team reports that an “ideal maximum strength” can be reached in metals with twin boundaries only 7nm apart. Moreover, a heat-treated version of the silver-copper alloy had a hardness above what had previously been thought to be the theoretical maximum.

“We’ve broken the world record, and the Hall-Petch limit too, not just once but several times in the course of this study, with very controlled experiments,” said Sansoz.

Sansoz said that this new class of metal could have many applications, and that the principle could be applied to other metals.

“This is a new class of materials and we’re just beginning to understand how they work,” he said. “When you can make material stronger, you can use less of it, and it lasts longer, and being electrically conductive is crucial to many applications.”

Some possibilities include lighter aircraft and more efficient solar cells, and there may also be applications in nuclear reactors and the other systems in nuclear power stations.

ITALIANO

Il gruppo americano rivendica la "nuova classe di materiali" eliminando il compromesso tra resistenza e conduttività

Gli studi sul comportamento su nanoscala dell'argento hanno portato alla creazione di un tipo di metallo più forte del 42% rispetto a qualsiasi altro precedentemente registrato, ma che ha conservato tutta la conduttività elettrica di tipi di argento più morbidi che, secondo il progetto Coleader Frederic Sansoz, un materiale scienziato e ingegnere meccanico dell'Università del Vermont, potrebbe portare a progressi nelle applicazioni dall'aerospaziale all'energia.

La chiave della scoperta, una collaborazione tra il Vermont e il Lawrence Livermore National Laboratory, erano i difetti che si verificano naturalmente in ogni metallo, causati dalla formazione imperfetta del reticolo geometrico degli atomi che formano il materiale. A volte questi difetti portano a proprietà indesiderate, come fragilità o ammorbidimento. Sansoz e Lawrence Livermore, scienziato capo Morris Wang, stavano tentando di risolvere un problema che perseguitava gli scienziati dei materiali: ogni volta che viene prodotta una lega per superare una di queste proprietà indesiderate, la conducibilità elettrica cala.

In un articolo su Nature Materials, Sansoz e Wang descrivono come drogavano l'argento con una piccola percentuale di rame per controllare il comportamento dei difetti del reticolo d'argento. Era necessaria solo una traccia di rame - meno dell'uno per cento in peso - ma ciò ha prodotto un netto miglioramento della conduttività. L'impurità del rame ha trasformato due tipi di difetto intrinseco della nanoscala nell'argento in una struttura interna molto più forte, ha spiegato il gruppo.

La ricerca ha sfruttato una proprietà nota come relazione Hall-Petch, dove più piccoli sono i microcristalli - regioni di ordine privo di difetti - che compongono un metallo, più forte diventa. La relazione Hall-Petch si interrompe quando i microcristalli sono più piccoli di decine di nanometri, poiché i confini tra i microcristalli diventano instabili. Quando il rame viene introdotto nell'argento, viene attratto dai difetti del reticolo, ha detto Sansoz, e impedisce ai confini dei microcristalli e di un'altra forma di difetto, noti come confini gemelli coerenti, di muoversi.

I confini gemelli coerenti sono strutture di atomi accoppiati che formano un'interfaccia cristallina simmetrica simile a uno specchio che in circostanze normali rafforza il metallo stabilizzando le interfacce cristalline, ma che si indeboliscono anche quando lo spazio tra gli atomi accoppiati scende al di sotto di alcuni nanometri. Gli atomi di rame, essendo leggermente più piccoli degli atomi d'argento, possono stabilizzare il reticolo ma sono a una concentrazione così bassa da non interrompere la conducibilità.

"Le impurità dell'atomo di rame vanno lungo ogni interfaccia e non nel mezzo", ha spiegato Sansoz. "Quindi non disturbano gli elettroni che si stanno propagando."

Il gruppo ha definito il nuovo tipo di lega un "metallo nanocristallino-nanotwinned" e nel loro documento affermano che questi hanno "proprietà meccaniche e fisiche senza precedenti". Non solo supera il rammollimento precedentemente visto quando i microcristalli e i confini dei gemelli diventano troppo piccoli, ma supera il limite teorico di Hall-Petch al quale la riduzione delle dimensioni dei cristalli cessa di rafforzare il materiale.

Il gruppo riferisce che una "resistenza massima ideale" può essere raggiunta in metalli con confini gemelli a soli 7 nm di distanza. Inoltre, una versione trattata termicamente della lega argento-rame aveva una durezza superiore a quella che in precedenza era stata ritenuta il massimo teorico.

"Abbiamo superato il record mondiale e anche il limite di Hall-Petch, non solo una volta ma più volte nel corso di questo studio, con esperimenti molto controllati", ha affermato Sansoz.

Sansoz ha affermato che questa nuova classe di metallo potrebbe avere molte applicazioni e che il principio potrebbe essere applicato ad altri metalli.

"Questa è una nuova classe di materiali e stiamo appena iniziando a capire come funzionano", ha affermato. "Quando puoi rendere il materiale più forte, puoi usarne meno e dura più a lungo, ed essere elettricamente conduttivi è fondamentale per molte applicazioni."

Alcune possibilità includono aeromobili più leggeri e celle solari più efficienti, e potrebbero esserci anche applicazioni nei reattori nucleari e negli altri sistemi nelle centrali nucleari.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/superstrong-silver-new-era-metals/