铬、钴和镍的金属合金比石墨烯坚韧 100 多倍，并且在极低温度下更能抵抗损坏。
研究人员已经证明，铬、钴和镍的金属合金是地球上最坚韧的材料——比神奇材料石墨烯坚韧 100 多倍。
在 12 月 1 日发表在《科学》杂志上的一项新研究中，研究人员将超韧合金置于极冷的温度下，以测试该材料的抗断裂性。 多年来，科学家们都知道这种合金是一块坚韧的饼干——然而，令团队惊讶的是，随着温度的骤降，这种合金只会变得更坚硬，更不易开裂。
研究作者表示，这种超强抗断裂性与大多数材料形成鲜明对比，大多数材料在冰冻温度下只会变得更脆。
“人们谈论石墨烯的韧性，而这在每米只有 4 兆帕时测量，”研究合著者 Robert Ritchie（在新标签页中打开），加州大学伯克利分校的工程学教授和该研究所的高级教员科学家 劳伦斯伯克利国家实验室告诉我们。 “飞机上使用的铝合金的韧性为每米 35 兆帕。这种材料的韧性为每米 450 至 500 兆帕……这些数字令人难以置信。”
这种坚韧材料的潜在应用范围从太空基础设施到地球上用于清洁能源的抗断裂容器。 然而，Ritchie 指出，该合金的三种元素（镍和钴）中的两种非常昂贵，在可预见的未来限制了该合金在实验室中的用途。
奇怪的合金
铬、钴和镍合金是高熵合金 (HEA) 的一个例子。 大多数合金主要由一种元素制成，添加的额外元素较少，与此不同的是，HEA 由每种组成元素的等量混合制成。
据研究作者称，这种 HEA 具有极强的延展性或延展性，这意味着它可以在压力下弯曲以承受压裂。 合金分子结构的几个怪癖使它具有非凡的延展性。 例如，一种关键机制导致合金中的原子在压力下发生错位，从而使它们相互剪切。 这与其他各种机制一起，允许材料在压力增加时保持变形，而不会破裂或破裂。
“当你增加材料的应变时，这些机制中的每一种都会在后期开始发挥作用，这是高韧性的完美配方，”Ritchie 补充道。 “值得注意的是，这些机制在较低温度下变得更加有效。”
研究人员最初通过将合金暴露在温度约为 -321 华氏度（-196 摄氏度）的液氮中来测试合金的韧性。 当合金的韧性有所提高时，该团队想知道他们可以将材料的极限进一步提高到什么程度。
英国布里斯托尔大学的物理学家 Dong Liu(opens in new tab) 和同事设计了一项实验，将合金暴露在液氦中，液氦可以冷却至负 424 华氏度（负 253 摄氏度）的超低温。 然后，该团队观察了中子在称为中子衍射的过程中从材料中散射出来，以窥视合金的结构，并了解随着压力增加裂缝是如何形成的。
实验表明，当谈到韧性时，合金将石墨烯从水中吹了出来。
“石墨烯的强度非常高，但它没有任何损伤容限，”刘告诉我们。 “它非常易碎，就像你扔在地板上的杯子会碎成碎片一样。”
刘补充说，石墨烯的另一个缺点是它的高强度只适用于非常小的纳米级尺度。 同时，Liu 和她的团队测试的铬、钴和镍合金样品为香烟盒大小，这意味着 HEA 在日常用品的规模上保持了韧性。
未来的材料
虽然在实际应用这种材料之前需要进行更多测试，但刘乐观地认为这种合金可用于太空和地球上的许多项目。 例如，HEA 可用于储氢容器，使环保型氢动力汽车更加可行。
刘说：“如果你驾驶一辆装有由非常脆的东西制成的氢容器的汽车，你实际上就是在随身携带炸弹。但不是用这种材料。”
与此同时，里奇在建议合金的潜在应用方面持谨慎态度，因为将材料从实验室转移到“现实世界”需要大量知识和时间，而镍和钴的成本仍然高得令人望而却步。 然而，他有兴趣使用不同的元素开发新合金的配方，这种合金可能同样坚韧。
“元素周期表中有 50 种可用元素，”里奇说。 “将其中的三种、五种或七种组合在一起意味着有数百万种新合金。”