skip to Main Content

Oordning skapar nya material

Högentropilegering – fast löslighet av fem atomslag i en rymdcentrerad kubisk struktur.

Förhoppningarna är stora på de nya, heta HÖGENTROPIMATERIALEN – som består av fem eller fler grundämnen. De har egenskaper som gör dem intressanta för exempelvis omvandling, lagring och transport av energi.

HÖGENTROPILEGERINGAR är en grupp av material som bildas av minst fem metaller. Det finns en rad tänkbara kombinationer av dessa – och förväntningarna är stora. Drömmen är att kunna skapa nya material med helt nya egenskaper eller kombinationer av egenskaper. Människor har använt legeringar sedan bronsåldern. De har, precis som brons och senare stål, varit baserade på ett eller ibland två grundämnen som utgör den absolut största delen av de ingående atomerna. Nya legeringar har sedan utvecklats genom att man har tillfört ytterligare grundämnen i mindre mängder för att påverka legeringens struktur och egenskaper. På så sätt har man framgångsrikt skapat ett stort antal legeringar som delas in i olika familjer, beroende på vilken eller vilka basmetallen eller metallerna är. Några exempel är stål (järn och kol), mässing (koppar och zink), aluminiumlegeringar, titanlegeringar och så kallade nickel-baslegeringar (nickel). Generellt ökar materialens komplexitet när man tillsätter fler ämnen till legeringar – det bildas nya intermetalliska föreningar och ytterligare faser. Moderna legeringar innehåller inte sällan fyra eller fler ämnen. Materialets struktur är ofta en kombination av olika faser där egenskaperna fås i en finstämd balans, där både sammansättning och framställningsprocess är avgörande. Det har därför varit naturligt att anta att ett materials komplexitet i praktiken skulle bli ohanterligt om man hade höga halter av flera grundämnen.

DENNA BILD ÄNDRADES 2004 när två forskargrupper i Storbritannien och Taiwan oberoende av varandra publicerade nya rön. Artiklarna – med Brian Cantor respektive J

Kvantmekaniska materialsimuleringar visar elektrondensiteten i en ren metall (niob, till vänster) och i en högentropilegering (HfNbTiVZr) med samma grundstruktur. Bild: Alexei I. Abrikosov

en-Wei Yeh som huvudförfattare – beskrev legeringar bestående av fem eller fler grundämnen med vad som kan betecknas som mycket enkla strukturer. Yeh föreslog en förklaringsmodell basera

d på termodynamiken, och specifikt på den så kallade entropin, vilket också gav namnet på legeringstypen – högentropilegeringar. Högentropilegeringar bildar enkla strukture

r – som till exempel rymdcentrerad kubisk – fast med fem eller fler atomslag som slumpvis sitter på de positioner där man i vanliga fall bara har ett atomslag (se sidan 23). Eftersom högentropilegeringar är en legeringsgrupp som definieras utifrån denna strukturella egenhet – och till skillnad från de traditionella legeringarna inte efter huvudsaklig basmetall – är de inte en homogen grupp när det gäller egenskaper. Det går inte att göra påståenden liknande de som kan göras för de traditionella grupperna, som att kopparlegeringar är bra på att leda ström eller att aluminiumlegeringar är lätta. Det beror helt enkelt på vilka grundämnen som ingår, och det som bland annat hägrar är möjligheten att kombinera egenskaper som tidigare inte gått att kombinera.

VISSA HÖGENTROPILEGERINGAR har dessutom uppvisat nya egenskaper. Det mest kända exemplet är en legering av krommangan-järn-kobolt och nickel (CrMnFeCoNi, även kallad Cantor-legeringen), som visat sig bli segare (i stället för sprödare som de flesta metaller) när man kyler ner legeringen till låga temperaturer med flytande kväve.

Här tog det tyvärr slut… Hela den här artikeln kan läsas i Kemisk Tidskrift nr 1 2022. Kemisk Tidskrift skickas ut till medlemmar i Svenska Kemisamfundet. Kemisk Tidskrift – Svenska Kemisamfundet

Läs mer om medlemskapet här: Medlemskap – Svenska Kemisamfundet

Text och bild: Erik Lewin, Docent i materialkemi vid Institutionen för kemi – Ångström – vid Uppsala universitet.