В космическом пространстве температура опускается практически до абсолютного нуля — около -270°C. На Земле столь экстремальный холод встречается крайне редко, но ученым важно создавать материалы, сохраняющие свои свойства при сверхнизких температурах. Такие сплавы востребованы в передовых направлениях: они необходимы для квантовой электроники, технологий сверхпроводимости и хранения биологических образцов. Однако большинство металлов на сильном морозе, хотя и остаются твердыми, становятся хрупкими и теряют способность к пластичным деформациям.
Пластичность — это противоположность хрупкости: материал способен растягиваться, сгибаться и принимать нужную форму, не разрушаясь. Для примера, золото знаменито своей высокой пластичностью: его можно превратить в фольгу толщиной в считанные атомы, не разламывая структуру. Но для новых промышленных задач требуется намного более прочный и в то же время податливый сплав, который не подведет даже в лютый мороз.
Инновационное создание сплава на основе кобальта, никеля и ванадия
Группа ученых под руководством Шань-Дун Ту успешно решила проблему пластичности в условиях криогенных температур, используя новый принцип проектирования металлических сплавов. Исследователи сосредоточились на соединениях трех основных элементов: кобальта, никеля и ванадия.
Обычные способы упрочнения металлов оказались недостаточно эффективными для суровых температур. Тогда физики разработали метод смешанного формирования атомных структур. Внутри металлического кристалла образуются два типа упорядоченности: одни структуры создаются на химическом уровне, другие — за счет направленного механического воздействия.
Двойная структура: баланс прочности и гибкости
Химически организованная часть материала получила название «субнанометровая организация близкого порядка». Это своеобразные миниатюрные островки, в которых атомы строго выстроены друг относительно друга — такие структуры появляются под влиянием температурного анакрчивания.
Второй вид упорядоченности достигается механическим путем и характеризуется как нанометровая организация дальнего порядка. Фактически речь идет о более крупных доменах, в которых атомы ведут себя как единое целое под воздействием внешних нагрузок.
Комбинируя оба типа атомной организации, исследователи добились превосходных результатов: сплав на основе кобальта, никеля и ванадия сохранил не только высокую прочность, но и исключительную пластичность даже при температуре -186°C (87 Кельвинов).
Применение сплава будущего в реальных технологиях
Данное открытие открывает новую эру для развития материалов, способных не поддаваться разрушению в экстремальных условиях. Полученный сплав обещает востребованность прежде всего в аэрокосмической технике и машиностроении. Он позволит строить космические спутники, зонды и ракеты, надежные при любом морозе.
Также новый материал пригодится для оборудования, используемого при транспортировке и хранении сжиженного природного газа, в криогенных установках и холодильных системах. Благодаря своему балансу гибкости и прочности, сплав обеспечит безопасность и стабильность инфраструктуры даже при максимальном охлаждении.
Позитивные перспективы развития сплавов Шань-Дун Ту
По мнению Шань-Дун Ту, сочетание химического и механического упорядочения атомов открывает путь к созданию новых поколений сверхустойчивых материалов. Предлагаемая исследовательская стратегия может быть применена не только к сплавам на основе кобальта, никеля и ванадия, но и к другим инновационным сплавам для криогенных технологий.
Развитие такого подхода позволит создавать материалы, которые будут служить основой для научных открытий, безопасной энергетики и освоения самой холодной части Вселенной. Оптимизм ученых и их неожиданные результаты вдохновляют на дальнейшие достижения в области материаловедения, двигают вперед прогресс, делая возможным то, что еще недавно казалось невозможным.
