Nanoteknik skapar nya material för extrema miljöer

I en ny studie i Science presenterar forskare från bland annat Stockholms universitet och University of Illinois Chicago en ny kategori av material som kan revolutionera den teknik som används under extrema förhållanden, exempelvis i jetmotorer eller djupt under jordytan.

Det nya materialet är ett endimensionellt så kallat nanoband av grundämnena molybden, volfram, niob, tantal och vanadin, bundna med syre. Materialet är högentropiskt (1D-HEO) och har utformats genom att blanda de sex ingående grundämnena i nästan lika stora proportioner. Oordningen i atomstrukturen, entropin, som kommer från det stora antalet ingående grundämnen utnyttjas som en stabiliserande kraft.

– Det är inte bara sammansättningen av ämnen som gör materialet speciellt utan också dess form och struktur, förklarar Zhehao Huang, forskningsledare bakom studien vid Kemikum, Stockholms universitet.

Tunna som hårstrån, men extremt motståndskraftiga

– Nanobanden, som är tusentals gånger tunnare än ett mänskligt hårstrå, är exceptionellt motståndskraftiga mot värme, tryck och kemisk korrosion. De tål att utsättas för temperaturer upp till 1 000°C, tryck upp till 20 gigapascal och starka syror och baser i en vecka. Men deras kanske mest imponerande egenskap är att de kan absorbera mekanisk energi bättre än någon annan känd legering för rymdindustrin. De är alltså idealiska att använda för stöttåliga beläggningar eller som konstruktionsmaterial för rymduppdrag, säger han.

Bakom resultatet ligger avancerade elektronmikroskopitekniker, särskilt transmissionselektronmikroskopi (TEM) och tredimensionell elektrondiffraktion (3DED), oumbärliga verktyg inom modern materialvetenskap, berättar Zhehao Huang.

Enhetlig inre struktur

TEM:s ultrahögupplösta bilder kunde på atomnivå bekräfta nanobandens släta, felfria ytor och deras enhetliga inre struktur. Bilderna var avgörande för att kunna verifiera att materialet var oskadat även efter att ha utsatts för extrema temperaturer och frätande miljöer. Än viktigare var dock användningen av 3DED, säger han, eftersom 3DED gjorde det möjligt att rekonstruera nanobandens fullständiga tredimensionella atomstruktur.

– Med 3DED är det möjligt att bestämma hur atomerna är ordnande i kristaller som bara är några tiotals nanometer stora, något som traditionell röntgendiffraktion helt enkelt inte klarar av, förklarar Zhehao Huang.

Metoden avslöjade alltså exakt hur metall- och syreatomerna är ordnade i strukturen vilket gjorde det möjligt att förstå materialets stabilitet under extrema förhållanden.

De potentiella tillämpningarna är enorma, säger forskarna – från elektronik som tål hetta som liknar den på planeten Venus till rymdfarkostmaterial som klarar såväl vakuum som vibrationer. Studien kan dessutom fungera som en mall för att designa lågdimensionella, motståndskraftiga material genom att utnyttja entropi som en stabiliserande faktor i stället för att se entropin som en utmaning.

Studien

”Resiliency, morphology, and entropic transformations in high-entropy oxide nanoribbons” är publicerad i Science. Doi: https://doi.org/10.1126/science.adr5604

Kontakt

Zhehao Huang, Institutionen för kemi, Stockholms universitet. Telefon: 072-936 69 72, e-post: zhehao.huang@su.se

Bildtext: 1D-HEO-materialet (MoWNbTaV)O3. Figur: Hessam Shahbazi, University of Illinois Chicago.