Химики создали самое прочное в мире серебро

В новом исследовании учёные не только значительно превысили предыдущий рекорд прочности для этого драгоценного металла, но и превысили её теоретический предел. Для этого они добавили к серебру немного меди, но сделали это особым образом.

Известно, что серебро – очень мягкий материал. Стремясь сделать его прочнее, металлурги добавляют к драгоценному металлу примеси. Но при этом ухудшается другой важный параметр материала – электропроводность.

Такой конфликт характерен не только для серебра, но и для многих других металлов, применяемых в современной технике. Новое исследование может положить конец этим поискам компромисса.

"Мы обнаружили новый механизм, работающий на наноуровне, позволяющий нам производить металлы, которые намного прочнее, чем [полученные] когда-либо прежде, при этом не теряя их электропроводности", – утверждает глава научной группы Фредерик Сансоз (Frederic Sansoz) из Университета Вермонта.

Напомним, что металлы представляют собой поликристаллы (то есть материал как бы сшит из множества лоскутов-кристаллов разных форм). Лоскуты — это комплексы атомов (зёрен). Причём атомы внутри зерна связаны гораздо прочнее, чем зёрна друг с другом. Слабая связь между зёрнами – одна из главных причин, делающих материал непрочным.

На этот счёт есть так называемое соотношение Холла-Петча: чем меньше зерно, тем прочнее металл. Долгое время, почти 70 лет, исследователи пользовались этим правилом, чтобы создавать более прочные материалы.

Однако, когда размер зёрен металлов начал доходить до десятков нанометров, материаловеды обнаружили новую проблему: границы зёрен стали нестабильными и начали двигаться.

Разобравшись в природе этого процесса, учёные научились сшивать достаточно маленькие лоскуты при помощи "очень крепких ниток" под названием когерентные двойниковые границы. Последние представляют собой границу между двумя зёрнами, которые по строению похожи друг на друга как зеркальные отражения.

Такие границы крайне сложно деформировать, поэтому они действовали как стежки, которыми учёные скрепляли "лоскуты" металла.

Однако, если промежуток между зёрнами в такой когерентной двойниковой границе, становился меньше семи нанометров, то и они уже не могли удержать структуру металла от расползания. В этом случае достигается теоретический предел прочности (так называемый предел Холла-Петча).

Атомы меди (показаны зелёным), расположенные вдоль границ зёрен (вверху) и внутри дефектов структуры (длинные нити, идущие вниз).
Иллюстрация Frederic Sansoz, UVM.

Но исследователи из Университета Вермонта нашли способ обойти и эту проблему. Использовав компьютерные модели движения атомов, а затем перейдя к экспериментам с реальными металлами, учёные в итоге получили ультрапрочное серебро. Для этого они добавили к серебру немного меди (менее 1% по массе).

В своей статье, вышедшей в журнале Nature Materials, авторы заключают, что атомы меди, которые немного меньше атомов серебра, заполняют границы между зёрнами и мешают зёрнам смещаться друг относительно друга. Это делает металл на 42% прочнее предыдущего рекорда и, более того, прочнее, чем позволяет предел Холла-Петча.

"Мы побили мировой рекорд и предел Холла-Петча тоже, причём не один раз, а несколько раз в ходе этого исследования в тщательно контролируемых экспериментах", – утверждает Сансоз.

В то же время столь малая примесь меди практически не сказывается на электропроводности серебра.

"Примеси атомов меди располагаются вдоль границ раздела [между зёрнами], но не встревая между ними, – объясняет Сансоз. – Таким образом, они не мешают электронам, которые движутся сквозь [вещество]".

Использованный подход можно применить для упрочнения не только серебра, но и других металлов. Как показывают изыскания материаловедов, подобным образом можно повысить прочность многих металлов с двойниковыми границами, которые разделены дистанцией менее семи нанометров (то есть где зёрна удалены друг от друг на расстояние нескольких атомов).

Исследователи надеются, что новшество найдёт множество применений, ведь более прочные проводящие ток материалы можно будет использовать дольше и в меньшем количестве. Полученные в ходе данной работы знания могут подарить человечеству более эффективные солнечные батареи, более лёгкие самолёты и даже более безопасные атомные электростанции.

В то же время химики не исключают, что на этом пути их ещё ждут сюрпризы.

"Это новый класс материалов, и мы только начинаем понимать, как они работают", – признаётся Сансоз.