Vloeibare stikstof gedijt het beste in een legering van vijf metalen die van pure entropie aan elkaar hangt. Bij lage temperaturen wordt zo'n mix namelijk niet bros, schrijven onderzoekers van Berkeley Lab in Science.

Hun ‘high-entropy alloy’ bevat gelijke hoeveelheden chroom, mangaan, ijzer, kobalt en nikkel. Dan heb je het over vier verschillende kristalstructuren: alleen die van ijzer en chroom zijn identiek.

Je zou verwachten dat je in zo’n legering een fasenscheiding ziet waarbij op zijn minst een deel van de gebruikte metalen in zuivere vorm uitkristalliseert, ingebed in de rest. Bij legeringen met een kleiner aantal componenten zie je dat namelijk vrijwel altijd gebeuren. Maar bij vijf of meer metalen door elkaar, waarbij er geen een de kans krijgt om de rest te overheersen en voor matrix te spelen, blijken ze met z’n allen gebroederlijk in één kubisch kristalrooster te gaan zitten.

Helemaal begrijpen doen de auteurs het zelf ook niet maar het lijkt er op dat deze wanordelijke structuur daadwerkelijk stabieler is dan een mix van zuivere kristallijne fasen, puur dankzij de bijdrage van de entropie aan de totale vrije energie.

En het mooie is dat deze structuur bij afkoeling niet brosser wordt, zoals de meeste ‘gewone’ materialen, maar juist minder bros. Bij kamertemperatuur kun je beter gewoon staal gebruiken. Maar bij 196 graden onder nul, de temperatuur van vloeibare stikstof, zijn de vervormbaarheid (ductiliteit) en de treksterkte net zo goed als die van de allerbeste ‘cryogene’ staallegeringen.

En dan te bedenken dat de auteurs nog niet eens echt geprobeerd hebben om de eigenschappen van hun legering te optimaliseren.

Ze schrijven de toenemende treksterkte voorzichtig toe aan ‘nanotwinning’, een nog matig begrepen proces waarbij twee naast elkaar gelegen kristallijne gebiedjes elkaars spiegelbeeld gaan vormen wanneer het grensvlak mechanisch worden belast. Zo zou het materiaal in feite zichzelf moeten harden.

bron: Berkeley Lab, Science