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Les scientifiques sont déconcertés par les matériaux les plus durs sur Terre – une « torsion inattendue »

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Les scientifiques sont déconcertés par les matériaux les plus durs sur Terre – une « torsion inattendue »

Les images générées par microscopie montrent l’évolution de la fracture et la déformation qui l’accompagne de la structure cristalline dans un alliage CrCoNi à l’échelle nanométrique lors d’un test de contrainte à 20 K (-424 ° F). La fracture s’étend de gauche à droite. Crédit : Robert Ritchie/Berkeley Lab

Une nouvelle étude révèle les propriétés profondes d’un simple métal[{ » attribute= » »>alloy.

Scientists have measured the highest toughness ever recorded, of any material, while investigating a metallic alloy made of chromium, cobalt, and nickel (CrCoNi). Not only is the metal extremely ductile – which, in materials science, means highly malleable – and impressively strong (meaning it resists permanent deformation), its strength and ductility improve as it gets colder. This runs counter to most other materials in existence.

“In the same units, the toughness of a piece of silicon is one, the aluminum airframe in passenger airplanes is about 35, and the toughness of some of the best steels is around 100. So, 500, it’s a staggering number.” — Robert Ritchie

The team, led by researchers from Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) and Oak Ridge National Laboratory, published a study describing their record-breaking findings in the journal Science on December 1, 2022.

“When you design structural materials, you want them to be strong but also ductile and resistant to fracture,” said project co-lead Easo George, the Governor’s Chair for Advanced Alloy Theory and Development at ORNL and the University of Tennessee. “Typically, it’s a compromise between these properties. But this material is both, and instead of becoming brittle at low temperatures, it gets tougher.”

CrCoNi is a subset of a class of metals called high entropy alloys (HEAs). All the alloys in use today contain a high proportion of one element with lower amounts of additional elements added, but HEAs are made of an equal mix of each constituent element. These balanced atomic recipes appear to bestow some of these materials with an extraordinarily high combination of strength and ductility when stressed, which together make up what is termed “toughness.” HEAs have been a hot area of research since they were first developed about 20 years ago, but the technology required to push the materials to their limits in extreme tests was not available until recently.

Grain Structures and Crystal Lattice Orientations

“The toughness of this material near liquid helium temperatures (20 kelvin, -424 °Fahrenheit) is as high as 500 megapascals square root meters. In the same units, the toughness of a piece of silicon is one, the aluminum airframe in passenger airplanes is about 35, and the toughness of some of the best steels is around 100. So, 500, it’s a staggering number,” said research co-leader Robert Ritchie, a senior faculty scientist in Berkeley Lab’s Materials Sciences Division and the Chua Professor of Engineering at UC Berkeley.

Ritchie and George began experimenting with CrCoNi and another alloy that also contains manganese and iron (CrMnFeCoNi) nearly a decade ago. They created samples of the alloys then lowered the materials to liquid nitrogen temperatures (around 77 kelvin, or -321 °F) and discovered impressive strength and toughness. They immediately wanted to follow up their work with tests at liquid helium temperature ranges, but finding facilities that would enable stress testing samples in such a cold environment, and recruiting team members with the analytical tools and experience needed to analyze what happens in the material at an atomic level took the next 10 years. Thankfully, the results were worth the wait.

Peering into the crystal

Many solid substances, including metals, exist in a crystalline form characterized by a repeating 3D atomic pattern, called a unit cell, that makes up a larger structure called a lattice. The material’s strength and toughness, or lack thereof, come from physical properties of the lattice. No crystal is perfect, so the unit cells in a material will inevitably contain “defects,” a prominent example being dislocations – boundaries where undeformed lattice meets up with deformed lattice. When force is applied to the material – think, for example, of bending a metal spoon – the shape change is accomplished by the movement of dislocations through the lattice. The easier it is for the dislocations to move, the softer the material is. But if the movement of the dislocations is blocked by obstacles in the form of lattice irregularities, then more force is required to move the atoms within the dislocation, and the material becomes stronger. On the flip side, obstacles usually make the material more brittle – prone to cracking.

“We were able to visualize this unexpected transformation due to the development of fast electron detectors in our electron microscopes, which allow us to discern between different types of crystals and quantify the defects inside them at the resolution of a single nanometer – the width of just a few atoms – which as it turns out, is about the size of the defects in deformed NiCoCr structure.” — Andrew Minor

Using neutron diffraction, electron backscatter diffraction, and transmission electron microscopy, Ritchie, George, and their colleagues at Berkeley Lab, the University of Bristol, Rutherford Appleton Laboratory, and the University of New South Wales examined the lattice structures of CrCoNi samples that had been fractured at room temperature and 20 K. (For measuring strength and ductility, a pristine metal specimen is pulled until it fractures, whereas for fracture toughness tests, a sharp crack is intentionally introduced into the sample before it is pulled and the stress needed to grow the crack is then measured.)

The images and atomic maps generated from these techniques revealed that the alloy’s toughness is due to a trio of dislocation obstacles that come into effect in a particular order when force is applied to the material. First, moving dislocations cause areas of the crystal to slide away from other areas that are on parallel planes. This movement displaces layers of unit cells so that their pattern no longer matches up in the direction perpendicular to the slipping movement, creating a type of obstacle. Further force on the metal creates a phenomenon called nanotwinning, wherein areas of the lattice form a mirrored symmetry with a boundary in between. Finally, if forces continue to act on the metal, the energy being put into the system changes the arrangement of the unit cells themselves, with the CrCoNi atoms switching from a face-centered cubic crystal to another arrangement known as hexagonal close packing.

This sequence of atomic interactions ensures that the metal keeps flowing, but also keeps meeting new resistance from obstacles far past the point that most materials snap from the strain. “So as you are pulling it, the first mechanism starts and then the second one starts, and then the third one starts, and then the fourth,” explained Ritchie. “Now, a lot of people will say, well, we’ve seen nanotwinning in regular materials, we’ve seen slip in regular materials. That’s true. There’s nothing new about that, but it’s the fact they all occur in this magical sequence that gives us these really tremendous properties.”

The team’s new findings, taken with other recent work on HEAs, may force the materials science community to reconsider long-held notions about how physical characteristics give rise to performance. “It’s amusing because metallurgists say that the structure of a material defines its properties, but the structure of the NiCoCr is the simplest you can imagine – it’s just grains,” said Ritchie. “However, when you deform it, the structure becomes very complicated, and this shift helps explain its exceptional resistance to fracture,” added co-author Andrew Minor, director of the National Center of Electron Microscopy facility of the Molecular Foundry at Berkeley Lab and Professor of Materials Science and Engineering at UC Berkeley. “We were able to visualize this unexpected transformation due to the development of fast electron detectors in our electron microscopes, which allow us to discern between different types of crystals and quantify the defects inside them at the resolution of a single nanometer – the width of just a few atoms – which as it turns out, is about the size of the defects in deformed NiCoCr structure.”

The CrMnFeCoNi alloy was also tested at 20 kelvin and performed impressively, but didn’t achieve the same toughness as the simpler CrCoNi alloy.

Forging new products

Now that the inner workings of the CrCoNi alloy are better understood, it and other HEAs are one step closer to adoption for special applications. Though these materials are expensive to create, George foresees uses in situations where environmental extremes could destroy standard metallic alloys, such as in the frigid temperatures of deep space. He and his team at Oak Ridge are also investigating how alloys made of more abundant and less expensive elements – there is a global shortage of cobalt and nickel due to their demand in the battery industry – could be coaxed into having similar properties.

Though the progress is exciting, Ritchie warns that real-world use could still be a ways off, for good reason. “When you are flying on an airplane, would you like to know that what saves you from falling 40,000 feet is an airframe alloy that was only developed a few months ago? Or would you want the materials to be mature and well understood? That’s why structural materials can take many years, even decades, to get into real use.”

Reference: “Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin” by Dong Liu, Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz, Mark Asta, Andrew M. Minor, Easo P. George and Robert O. Ritchie, 1 December 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abp8070

This research was supported by the Department of Energy’s Office of Science. The low-temperature mechanical testing and neutron diffraction was performed at the ENGIN-X ISIS Facility at the Rutherford Appleton Laboratory, led by first author Dong Liu. Microscopy was performed at the National Center for Electron Microscopy at the Molecular Foundry, a DOE Office of Science user facility at Berkeley Lab. The other authors on this project were Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Joachim-Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz, and Mark Asta.

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Le T. rex était peut-être beaucoup plus lourd et plus long qu’on ne le pensait auparavant – étude

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Le T. rex était peut-être beaucoup plus lourd et plus long qu’on ne le pensait auparavant – étude

Les chercheurs suggèrent que le Tyrannosaurus rex était peut-être 70 % plus lourd qu’on ne le pensait auparavant et 25 % plus long.

Le plus grand T. rex jamais trouvé vivant pourrait être beaucoup plus grand que le plus grand spécimen actuellement connu, puisqu’il pèse environ 15 tonnes au lieu de 8,8 tonnes et mesure 15 mètres de long au lieu de 12 mètres, selon l’étude.

De nombreux dinosaures plus grands appartenant à divers groupes ont été identifiés à partir d’un seul bon spécimen fossile.

Il est donc impossible de savoir si cet animal est un grand ou un petit exemplaire de cette espèce.

Les chercheurs soulignent que déterminer quel dinosaure était le plus grand, sur la base d’une poignée de fossiles, n’a pas beaucoup de sens.

Dans la nouvelle étude, le Dr Jordan Malone du Musée canadien de la nature à Ottawa, au Canada, et le Dr David Hone de l’Université Queen Mary de Londres, ont utilisé la modélisation informatique pour évaluer un groupe de dinosaures T. rex.

Ils ont pris en compte des facteurs tels que la taille de la population, le taux de croissance, la durée de vie moyenne et le caractère incomplet des archives fossiles.

« Notre étude suggère que pour les grands animaux fossiles tels que le T. rex, nous n’avons aucune idée, d’après les archives fossiles, de la taille absolue qu’ils ont pu atteindre », a déclaré le Dr Malone.

« C’est amusant de penser à un T. rex de 15 tonnes, mais les implications sont également intéressantes d’un point de vue biomécanique ou écologique. »

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Le Dr Hohn a déclaré : « Il est important de souligner qu’il ne s’agit pas vraiment du T. rex, qui constitue la base de notre étude, mais que cette question s’applique à tous les dinosaures et à de nombreuses autres espèces fossiles.

« Se disputer sur « qu’est-ce qui est le plus gros ? » en se basant sur quelques squelettes n’a pas vraiment de sens. »

Le T. rex a été choisi pour le modèle car bon nombre de ses détails étaient déjà bien appréciés.

Le modèle est basé sur des modèles de crocodiles vivants, choisis en raison de leur grande taille et de leur relation étroite avec les dinosaures.

Les chercheurs ont découvert que les plus grands fossiles connus de T. rex se situent probablement dans le 99e centile, soit le 1 pour cent supérieur de la taille du corps.

Cependant, ils soulignent que pour trouver un animal parmi les 99,99 pour cent (un tyrannosaure sur dix mille), les scientifiques devraient fouiller des fossiles au rythme actuel pendant encore 1 000 ans.

Les estimations de taille sont basées sur un modèle, mais la découverte de géants d’espèces modernes suggère qu’il devait encore y avoir des dinosaures plus grands.

« Certains des os et morceaux isolés indiquent clairement des individus plus gros que les squelettes dont nous disposons actuellement », a déclaré le Dr Hoon.

Les résultats ont été publiés dans la revue Ecology and Evolution.

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Comment des physiciens américains ont joué à Dieu et ont créé un nouvel élément appelé Livermorium à l’aide d’un faisceau de particules de titane

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Comment des physiciens américains ont joué à Dieu et ont créé un nouvel élément appelé Livermorium à l’aide d’un faisceau de particules de titane

Un scientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory travaille sur un dispositif de séparation lors d’une expérience. Crédit image : Laboratoire national Lawrence Berkeley

Une équipe de scientifiques et de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie a récemment annoncé une réalisation révolutionnaire : la création du Livemorium, ou élément 116, à l’aide d’un faisceau de particules de titane.

C’est la première fois qu’un hépatique est fabriqué de cette manière, rapprochant les chercheurs de l’insaisissable « îlot de stabilité », où les éléments très lourds sont censés avoir une durée de vie plus longue, ce qui les rend plus faciles à étudier. Plus important encore, c’est la première fois qu’un objet extrêmement lourd est fabriqué de cette manière par des humains.

Rainer Kröcken, directeur des sciences nucléaires au Berkeley Lab, a exprimé son optimisme quant à la découverte, soulignant la nature collaborative de l’expérience. Il a déclaré que la production de l’élément 120, la prochaine cible, prendrait beaucoup plus de temps mais semblait désormais possible. Annoncé lors de la conférence Nuclear Structure 2024, l’article sera bientôt disponible sur le référentiel de prépublications arXiv et sera soumis à la revue Physical Review Letters.

Utilisation innovante d’une poutre en titane pour créer l’élément 116
Dans leur expérience, les scientifiques ont utilisé un faisceau de titane-50, un isotope spécifique, pour générer du Livemorium, ce qui en fait l’élément le plus lourd créé à ce jour au laboratoire de Berkeley. Ce laboratoire a une riche histoire de découverte d’éléments, qui a contribué à l’identification de 16 éléments allant du technétium (43) au seaborgium (106).

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Jacqueline Gates, qui a dirigé le dernier effort, a exprimé sa confiance dans les résultats, notant que les chances que les résultats soient une anomalie statistique sont très faibles. Le processus impliquait de chauffer le titane à environ 3 000 °F (1 649 °C) jusqu’à ce qu’il se vaporise. L’équipe a ensuite bombardé le titane vaporisé avec des micro-ondes, en enlevant 22 électrons et en préparant les ions pour l’accélération dans un cyclotron de 88 pouces au laboratoire de Berkeley.

Les ions de titane accélérés sont dirigés vers une cible de plutonium, des milliards d’ions frappant la cible chaque seconde. Ce bombardement intense a finalement créé deux atomes de Livermorium sur une période de 22 jours. L’utilisation du titane à cette fin représente une nouvelle technologie pour synthétiser des éléments plus lourds, car les éléments précédents de cette gamme, de 114 à 118, avaient été synthétisés à l’aide d’un faisceau de calcium 48.

Jennifer Burr, physicienne nucléaire au groupe des éléments lourds du Berkeley Lab, a souligné l’importance de cette méthode. La production de l’élément 116 à partir de titane valide cette nouvelle approche, ouvrant la voie à de futures expériences visant à produire des éléments plus lourds, comme l’élément 120.

Trouver l’article 120
Le succès de la création de l’élément 116 a ouvert la voie au prochain objectif ambitieux de l’équipe : créer l’élément 120. S’il est atteint, l’élément 120 sera l’atome le plus lourd jamais créé et fera partie de « l’îlot de stabilité », un groupe théorique d’éléments super-lourds de qui devrait être plus long que ceux découverts jusqu’à présent.

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Le laboratoire prévoit de commencer à tenter de créer l’élément 120 en 2025. Le processus devrait prendre plusieurs années, reflétant la complexité et les défis inhérents à cette recherche de pointe. Les physiciens explorent les limites du tableau périodique, s’efforçant de repousser les limites de la connaissance et de la compréhension humaines en explorant les limites de la stabilité atomique.

Cette réalisation majeure démontre non seulement la créativité des scientifiques du Berkeley Lab, mais ouvre également la voie à de futures découvertes dans le domaine des éléments super-lourds, qui pourraient ouvrir la voie à de nouvelles connaissances sur la nature fondamentale de la matière.

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L’Institut des sciences spatiales et cosmiques commence une étude coordonnée de l’atmosphère autour des exoplanètes naines de type M

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L’Institut des sciences spatiales et cosmiques commence une étude coordonnée de l’atmosphère autour des exoplanètes naines de type M

L’Institut des sciences spatiales et cosmiques commence une étude coordonnée de l’atmosphère autour des exoplanètes naines de type M

La directrice de l’Institut des sciences spatiales et cosmiques, la Dre Jennifer Lutz, a accepté la recommandation principale du groupe de travail sur les initiatives exoplanétaires stratégiques et a décidé de procéder à une étude à grande échelle des exoplanètes naines rocheuses de type M.

Le programme utilisera environ 500 heures du temps discrétionnaire du directeur sur le télescope spatial James Webb pour rechercher l’atmosphère de plus d’une douzaine de systèmes proches.

Près de 250 observations ultraviolettes en orbite avec le télescope spatial Hubble seront utilisées pour déterminer l’activité des étoiles hôtes. Les observations seront effectuées par une équipe de direction du Space Science Institute dirigée par le Dr Nestor Espinosa et soutenue par le Dr Hannah Diamond Lowe en tant qu’équipe adjointe.

L’Institut des sciences spatiales et cosmiques emploie également un comité consultatif scientifique externe pour donner des conseils sur tous les aspects du programme, y compris la sélection des cibles, la vérification des données et les interactions communautaires équitables. Les membres du comité consultatif scientifique seront représentatifs de la communauté exoplanétaire au sens large, couvrant un large éventail d’affiliations institutionnelles et d’étapes de carrière.

Le Space Science Institute annoncera bientôt la possibilité de soumettre des candidatures, y compris des auto-nominations. La contribution de la communauté sera sollicitée sur la liste des cibles ; Les plans d’observation seront publiés bien avant la date limite de GWebb IV.

Rapport du groupe de travail sur les initiatives exoplanétaires stratégiques avec le télescope spatial Hubble et le télescope spatial James Webb

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Astrobiologie

Membre de l’Explorers Club, ancien gestionnaire de charge utile de la Station spatiale de la NASA/biologiste spatial, homme de plein air, journaliste, ancien grimpeur, synesthésie, mélange de Na’vi, Jedi, Freeman et bouddhiste, langue des signes américaine, camp de base de l’île Devon et vétéran de l’Everest, (il /lui) 🖖🏻

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