Хіміки створили найміцніше в світі срібло

У новому дослідженні вчені не тільки значно перевищили попередній рекорд міцності для цього дорогоцінного металу, але і перевищили її теоретичну межу. Для цього вони додали до срібла трохи міді, але зробили це особливим чином.

Відомо, що срібло – дуже м'який матеріал. Прагнучи зробити його міцнішим, металурги додають до дорогоцінного металу домішки. Але при цьому погіршується інший важливий параметр матеріалу – електропровідність.

Такий конфлікт характерний не тільки для срібла, але і для багатьох інших металів, що застосовуються в сучасній техніці. Нове дослідження може покласти край цим пошукам компромісу.

"Ми виявили новий механізм, що працює на нанорівні, що дозволяє нам виробляти метали, які набагато міцніші, ніж [отримані] були  раніше, при цьому не втрачаючи їх електропровідності", – стверджує голова наукової групи Фредерік Сансоз (Frederic Sansoz) з Університету Вермонта.

Нагадаємо, що метали являють собою полікристали (тобто матеріал як би зшитий з безлічі лоскутів-кристалів різних форм). Клапті — це комплекси атомів (зерен). Причому атоми всередині зерна пов'язані набагато міцніше, ніж зерна один з одним. Слабкий  зв'язок між зернами – одна з головних причин, що роблять матеріал неміцним.

На цей рахунок є так зване співвідношення холу-Петча: чим менше зерно, тим міцніше метал. Тривалий час, майже 70 років, дослідники користувалися цим правилом, щоб створювати більш міцні матеріали.

Однак, коли розмір зерен металів почав доходити до десятків нанометрів, матеріалознавці виявили нову проблему: границі зерен стали нестабільними і почали рухатися.

Розібравшись в природі цього процесу, вчені навчилися зшивати досить маленькі клапті за допомогою "дуже міцних ниток" під назвою когерентні двійникові межі. Останні являють собою кордон між двома зернами, які за будовою схожі один на одного як дзеркальні відображення.

Такі кордони вкрай складно деформувати, тому вони діють як стежки, якими вчені скріплювали "клапті " металу.

Однак, якщо проміжок між зернами в такому  когерентному кордоні, ставав менше семи нанометрів, то і вони вже не могли утримати структуру металу від розповзання. В цьому випадку досягається теоретична межа міцності (так звана межа Холла-Петча).

Але дослідники з Університету Вермонта знайшли спосіб обійти і цю проблему. Використавши комп'ютерні моделі руху атомів, а потім перейшовши до експериментів з реальними металами, вчені в підсумку отримали ультраміцне срібло. Для цього вони додали до срібла трохи міді (менше 1% по масі).

У своїй статті, що вийшла в журналі Nature Materials, автори роблять висновок, що атоми міді, які трохи менше атомів срібла, заповнюють межі між зернами і заважають зернам зміщуватися відносно один одного. Це робить метал на 42% міцніше попереднього рекорду і, більш того, міцніше, ніж дозволяє межа Холла-Петча.

"Ми побили світовий рекорд і межа Холла-Петча теж, причому не один раз, а кілька разів у ході цього дослідження в ретельно контрольованих експериментах", – стверджує Сансоз.

В той же час настільки мала домішка міді практично не позначається на електропровідності срібла.

"Домішки атомів міді розташовуються уздовж меж розділу [між зернами], але не встряють  між ними, - пояснює Сансоз. - Таким чином, вони не заважають електронам, які рухаються крізь [речовину]".

Використаний підхід можна застосувати для зміцнення не тільки срібла, але і інших металів. Як показують дослідження матеріалознавців, подібним чином можна підвищити міцність багатьох металів з кордонами, які розділені дистанцією менше семи нанометрів (тобто де зерна віддалені на відстань декількох атомів).

Дослідники сподіваються, що нововведення знайде безліч застосувань, адже більш міцні матеріали, які проводять струм,  можна буде використовувати довше і в меншій кількості. Отримані в ході даної роботи знання можуть подарувати людству більш ефективні сонячні батареї, більш легкі літаки і навіть більш безпечні атомні електростанції.

Водночас хіміки не виключають, що на цьому шляху їх ще чекають сюрпризи.

"Це новий клас матеріалів, і ми тільки починаємо розуміти, як вони працюють", – зізнається Сансоз.