Самовосстановление металлов
Ученые Техасского университета выявили новое свойство металлов — способность к самовосстановлению. Работа исследователей была опубликована в июле 2023 года.
Ранее уже удалось создать самовосстанавливающуюся пластмассу, металлы же считались неподвижными материалами, которые не могут самостоятельно восстанавливать свою структуру.
В ходе нового эксперимента ученые планировали оценить, как будут образовываться и распространяться микротрещины в наноразмерном куске платины, если многократно растягивать металл в вакууме с частотой 200 раз в секунду. Через 40 минут после начала эксперимента одна из трещин затянулась без каких-либо следов. Куски металла соединились без постороннего вмешательства.
Пока неизвестно, как металл поведет себя не в условиях вакуума, а на открытом воздухе. Для этого ученые будут проводить дополнительные исследования. Они надеются, что в будущем благодаря этому открытию производства смогут выпускать самовосстанавливающиеся детали для мостов, самолетов, автомобилей и других металлических конструкций, подверженных сильному износу. Это позволит увеличить срок их службы и сделать их более безопасными.
Предпосылкой к этому открытию стало давнее исследование. Еще в 2013 году ученые из Массачусетского технологического университета провели вычислительный эксперимент с никелем. В результате компьютерного моделирования они получили неожиданный результат: при растягивании треснувшего куска металла трещина закрылась, а ее края срослись. Ученые изучили реакцию этой микроструктуры на различные условия. Они обнаружили, что существует механизм, который может закрывать трещины при любом приложенном напряжении. Большинство металлов состоят из крошечных кристаллических зерен, размеры и ориентация которых могут влиять на прочность и другие характеристики. Но, как отметили ученые, при определенных условиях стресс «вызывает изменение микроструктуры: он может вызвать миграцию границ зерен, а она является ключом к заживлению трещины». Так сформировалась теория о самовосстановлении металлов, которую и подтвердили на практике в 2023 году ученые Техасского университета.
Прочность металлов
Настройка сплава после закалки
Износостойкость и жесткость — главные качества металлов. Ученые давно исследуют новые возможности этих свойств, чтобы сделать сплавы более технологичными. Это позволит расширить область их применения.
Так, в Уральском педагогическом университете придумали новый способ получения высокопрочных сплавов. Результаты исследования опубликовали в июле 2023 года в журнале Intermetallics. Ученые синтезировали сплав из равных долей алюминия, кобальта, циркония, которые отвечают за антикоррозийные свойства, меди, придающей пластичность, и никеля, который дает твердость.
При новом способе металл получается без кристаллической решетки (структура не успевает сформироваться из-за быстрого охлаждения), это позволяет «настраивать» механические или коррозионные свойства материала.
«Полученный сплав можно использовать как материал для различных устройств, например электромагнитных датчиков. Образованная структура сплава при быстрой закалке может обеспечить высокие показатели микротвердости, прочности и коррозионной стойкости. Большинство сплавов, имеющих похожие свойства, получают на основе хрома, железа и редкоземельных металлов. Эти компоненты существенно дороже тех, что использовали мы», — рассказывает Борис Русанов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник УрГПУ.
Сплавы широко используют в промышленности, машиностроении, авиастроении, электронике, и теперь это открытие поможет создавать отечественные комплектующие.
Сейчас исследователи будут изучать свойства и поведение сплава в морской воде и других агрессивных условиях.
Новая сталь для комбайнов и тракторов
Ученые Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К.А. Тимирязева — разработали новый сплав, предназначенный для использования в агропромышленной сфере. Чтобы сделать сталь более прочной, в нее добавили молибден, ниобий и титан, а также подобрали нужную температуру для обработки. Изобретение было запатентовано в апреле 2023 года.
По словам ученых, импортные стали намного прочнее по сравнению со старыми отечественными аналогами, их срок службы составляет до двух лет. Перед ними стояла задача создать материалы такого же качества, чтобы аграрии не несли потери. В Минобрнауки отмечают, что разработка сможет заместить зарубежные аналоги.
Доработанные образцы планируют протестировать на вспашке почвы до конца 2023 года: детали из нового сплава появятся в агропромышленной технике.
Новый способ соединять металлы в нанокристаллы
В зависимости от того, в какой сфере будут использовать сплав, нужна точная настройка прочности при смешивании металлов. И если удается сформировать нанокристаллы, возможности применения расширяются. Нанокристаллы — это скопления атомов в виде повторяющегося узора.
В швейцарском Федеральном институте технологии (ETH Zürich) придумали новый необычный способ соединять металлы в нанокристаллическую структуру. Методика основана на процессе амальгамирования: один металл растворяется в другом, с более низкой температурой плавления. Ученые создали несколько разновидностей нанокристаллов на основе галлия, который плавится при 30°C. Они соединили этот металл с золотом, серебром, никелем, медью и палладием, а палладий смешали с индием и цинком.
По словам ученых, для этой техники можно использовать почти любые металлы. Сплавы будут отличаться высокой прочностью и стабильностью. Это открытие позволит использовать нанокристаллы в аккумуляторах, микросхемах, устройствах для хранилищ данных и прочих компонентах электроники. Что касается палладия — сегодня его уже называют металлом будущего и одним из ключевых элементов водородной экономики благодаря его свойствам: хорошая пластичность и ковкость, низкая температура плавления, сохранение цвета, устойчивость к окислению. Исследователи считают, что новое поколение сверхпроводников, необходимых в высокотехнологичных отраслях, может быть разработано на основе соединений этого металла.
Прочнее стали, но не металл
Сталь — это один из самых прочных сплавов на Земле, но недавно исследователи разработали новый материал, который может превзойти сталь по износостойкости в четыре раза.
Американские ученые решили объединить два взаимоисключающих качества — прочность и легкость — с помощью двух строительных элементов. Ученые разработали структуру ДНК, запрограммированную на самостоятельную сборку в решетчатые формы, и покрыли ее стеклом.
Кажется, что стекло очень хрупкий материал. Однако 1 куб. см стекла без трещин и дефектов может выдержать давление предмета массой 10 т, что более чем в три раза превышает массу воды, под давлением которой взорвался подводный корабль Oceangate Titan.
В то же время плотность стекла намного ниже, чем у металлов или керамики, что делает его легким.
У ДНК есть свойство самостоятельно собираться в запрограммированные структуры благодаря связыванию между парами азотистых оснований. Ученые заставили ее собираться не в привычную спираль, а в трехмерную решетчатую форму. Нити ДНК покрыли слоем стекла толщиной всего лишь в несколько сотен атомов. Материал получился менее плотный и более прочный, чем сталь. Такого сочетания легкости и прочности раньше достичь не могли. Сейчас ученые продолжают экспериментировать со структурами ДНК, а также пробуют заменить стекло керамикой.
Подобные материалы помогут сделать бронежилеты, медицинские протезы, транспортные средства более прочными и легкими.