Metalen worden bij extreme kou vaak zo bros dat ze onverwacht kunnen breken. Maar wetenschappers hebben nu twee bijzondere metaallegeringen onderzocht die zelfs bij -253 graden Celsius opmerkelijk taai blijven. De ontdekking zet bestaande inzichten over metaalgedrag op hun kop en kan belangrijke gevolgen hebben voor waterstofopslag, ruimtevaart en andere technologieën die onder extreme omstandigheden moeten functioneren.
Een internationaal onderzoeksteam van onder meer de University of Oxford, UC Berkeley en het Lawrence Berkeley National Laboratory heeft ontdekt waarom bepaalde legeringen op basis van niobium en titanium bestand zijn tegen extreem lage temperaturen.
Zelfs bij 20 kelvin, oftewel -253 graden Celsius, vertoonden de materialen geen meetbare overgang naar bros breukgedrag. De resultaten verschenen op 14 oktober in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Waarom metalen normaal breken door extreme kou
Bij dalende temperaturen worden veel metalen sterker, maar sommige verliezen tegelijkertijd hun flexibiliteit. Vooral metalen met een ruimtelijk gecentreerde kubische kristalstructuur, zoals ijzer, wolfraam en chroom, zijn hiervoor gevoelig. Dat komt door zogenaamde dislocaties: kleine onregelmatigheden in het kristalrooster die ervoor zorgen dat metaal onder belasting kan vervormen.
Bij extreme kou bewegen deze dislocaties steeds moeilijker. Daardoor kunnen spanningen zich ophopen en kan een scheur zich plotseling uitbreiden. De onderzochte legeringen blijken dit probleem op een verrassende manier te omzeilen.
Metaal creëert zelf nieuwe mogelijkheiden om te vervormen
Wanneer bestaande dislocaties nauwelijks meer kunnen bewegen, verandert de interne structuur van de legeringen. Op nanoschaal ontstaan kristalgebieden die elkaars spiegelbeeld vormen. Dit verschijnsel heet twinning, oftewel tweelingvorming. Tegelijkertijd treedt plaatselijk een verandering van kristalstructuur op.
Op de grenzen tussen deze structuren ontstaan vervolgens nieuwe dislocaties. Hierdoor kan het materiaal spanningen blijven opvangen, zelfs wanneer de gebruikelijke vervormingsmechanismen nauwelijks functioneren. Het bijzondere is dus niet dat het metaal bij extreme kou onveranderd blijft, maar juist dat het zijn interne structuur aanpast.
Getest bij -253 graden
De wetenschappers onderzochten de materialen bij de ISIS Neutron and Muon Source in het Verenigd Koninkrijk. Hiervoor maakten ze gebruik van de Engin-X-bundellijn, een gespecialiseerde onderzoeksfaciliteit waarmee wetenschappers met neutronen diep in materialen kunnen kijken en interne spanningen en vervormingen kunnen meten.
In een speciale testopstelling werden de metaalmonsters met heliumgas afgekoeld tot -253 graden Celsius en vervolgens onder trekbelasting geplaatst. Met neutronenbundels konden de onderzoekers volgen hoe de kristalstructuur tijdens de belasting reageerde, zonder het materiaal voor de meting te beschadigen. Aanvullende elektronenmicroscopie en computersimulaties maakten duidelijk waarom de legeringen zelfs bij deze extreme temperaturen hun weerstand tegen scheurvorming behielden.
Belangrijk voor waterstof en ruimtevaart
De ontdekking kan vooral interessant worden voor technologieën die bij extreem lage temperaturen functioneren. Vloeibare waterstof wordt bijvoorbeeld opgeslagen bij ongeveer -253 graden Celsius. Leidingen, opslagtanks en andere onderdelen moeten onder die omstandigheden bestand blijven tegen mechanische belasting. Ook ruimtesondes en cryogene energiesystemen kunnen profiteren van materialen die minder snel bros worden.
Toch zijn de legeringen nog niet klaar voor grootschalige toepassing. Onderzoekers moeten onder meer vaststellen hoe ze reageren op langdurige belasting, herhaalde temperatuurwisselingen en industriële productieprocessen. De belangrijkste doorbraak zit voorlopig in het nieuwe inzicht: metalen hoeven bij extreme kou niet uitsluitend afhankelijk te zijn van bestaande dislocaties. Door hun kristalstructuur slim te ontwerpen, kunnen wetenschappers materialen ontwikkelen die zelf nieuwe mogelijkheden creëren om spanningen op te vangen. Dat biedt een veelbelovende route naar veiligere constructies voor enkele van de koudste omgevingen waarin technologie moet functioneren.
