Новый материал для терминатора не ломается

Ученые во всем мире пытаются создать жидкий металл, наподобие того, из которого был сделан фантастический робот-терминатор. Данный материал удалось сделать в 3 раза прочнее и в 10 раз гибче лучшей промышленной стали.

Жидкий металл («металлическое стекло») — это сплав с хаотичной молекулярной структурой. В отличие от обычного металла, атомы которого упорядоченны согласно определенной кристаллической структуре, в этом металле атомы располагаются в беспорядке, как в жидкости. В кристаллических металлических сплавах атомы упорядочены в «зерна», и границы между ними делают сплавы ломкими. В жидком металле таких «зерен» нет, и поэтому он не будет ломаться и деформироваться. При ударе он будет разбрызгиваться, а не разбиваться. Этот материал можно формовать с точностью до 10 нанометров.

Проблема в том, что нагретые сплавы при охлаждении кристаллизуются. Чтобы сделать жидкий металл, устойчивый при обычных температурах, кристаллизацию необходимо остановить на начальном этапе. Например, быстро охладить материал. В 1960-е гг. Пол Дювец (Pol Duwez) из Калифорнийского технологического института в Пасадене нашел решение проблемы: он проливал металл на холодный быстро вращающийся медный цилиндр, создавая листы сверхзамороженного аморфного металла. Однако листы были слишком тонкими (до нескольких нанометров толщиной), чтобы иметь утилитарное значение. Недавно исследователям из Liquidmetal удалось улучшить результат. Компанию основал бывший студент Дювеца Уильям Джонсон (William Johnson). Долгое время Джонсон не видел возможности делать металлическое стекло тоньше миллиметра, пока не узнал о работах японского ученого Акихиши Айноуи (Akihisha Inoue). Айноуи из университета Тохоку на острове Хонсю обнаружил, что для снижения скорости кристаллизации необходимо добавлять большие атомы, например, лантана. Они «разбивают» кристаллическую структуру. По мнению японского ученого, таким способом можно сделать аморфными почти все металлы, если применять лантан в правильной пропорции. При охлаждении одни маленькие атомы кластеризуются вокруг больших, другие — заполняют поверхность между кластерами.

В начале 1990-х Джонсон с коллегой Атаканом Пекером (Atakan Peker) создал сплав по этому методу и открыл технологическую компанию Liquidmetal Technologies. Материал был назван vitreloy. Он состоял из больших атомов циркония, титана, меди и никеля, и маленьких атомов бериллия. Витрелой более гибкий, чем сталь, и плавится при температуре 400°C, против 1000°С с лишним для стали. Первым продуктом разработчиков стала клюшка для гольфа. Однако она ломалась после 40 ударов, причем сразу, не сгибаясь постепенно. Исследования показали, что ломкость была вызвана образованием разрывов в точке удара. В кристаллизованных материалах разрывы происходят вдоль «зерна», а на границе кристалла останавливаются. В аморфных материалах таких границ нет. Джонсон с коллегами нашел решение и этой проблемы. Сначала он смешал сплав с кристаллическими частицами, которые не дают разрывам расширяться. Это был не идеальный вариант, Джонсон хотел создать сплав без кристаллов. Тогда он начал действовать методом перебора разных ингредиентов. В прошлом году группа Джонсона все-таки нашла оптимальное сочетание: стеклообразную смесь платины, меди, никеля и фосфора, которая не ломалась. Когда по ней ударяют, возникает множество маленьких и тонких трещин, которые переплетаются так плотно, что не образовывают разлома (см. Physical Review Letters, том 93, номер 255506). «Впервые мы увидели комбинацию таких свойств не только для „металлических стекол“, но для всех металлических сплавов», — заявил один исследователь из группы Джонсона.

Из-за того, что платины в сплаве почти 60%, это слишком дорогой материал. Однако многочисленные исследования показали, что замену найдут довольно скоро. В 2003 году Джозеф Пун (Jozeph Poon) и Джери Шифлет (Gary Shiflet) из университета Вирджинии в Шарлоттсвилле представили первое стальное стекло, состоящее из углерода, железа и небольшого количества марганца. Материал получился ненамагничивающимся и весьма хрупким. Джонсон уже готовит доклад о создании гибкого сплава на основе меди.

Liquidmetal в настоящее время производит «металлическое стекло» на основе платины для медицинских приборов, лезвий скальпелей и профессиональных теннисных ракеток. Японский разработчик Айноуи использовал его для создания миниатюрного мотора. Крепость «металлического стекла» делает его перспективным для использовании в кораблестроении и самолетостроении, а департамент обороны США намерен принять его в качестве нетоксичной альтернативы обедненному урану в снарядах. Liquidmetal также подписала контракт с Samsung на производство элементов мобильных телефонов, сообщил New Scientist.