Новые виды металла: Топ металлов будущего / Новости общества Красноярска и Красноярского края / Newslab.Ru

Опубликовано: 27.06.2023 в 02:23

Автор: admin

Содержание

Топ металлов будущего / Новости общества Красноярска и Красноярского края / Newslab.Ru

Развитие многих важных отраслей непосредственно связано с металлургией. Трудно представить авиацию без «крылатого металла» — алюминия, космонавтику без титана, а атомную энергетику без урана. Newslab.ru составил топ металлов будущего и узнал, из каких материалов в XXI веке будут строить самолеты и делать медицинские протезы.

13.04.2016

Microlattice — никелевая «кость»

Американские ученые по заказу авиаконцерна Boeing создали новый сверхлегкий металлический материал. Он получил название Microlattice (ultralight metallic microlattice) — ультралегкая металлическая губка. Материал этот, в прямом смысле слова, невесомый: если положить его на одуванчик, то цветок останется невредим. Однако при всей кажущейся хрупкости Microlattice может выдерживать огромные по сравнению со своим весом нагрузки. Причина в его необычном строении — на 99,99% материал полый, и, по сути, состоит из воздуха, что напоминает строение другого прочного «материала» — человеческой кости.

Основа Microlattice — это переплетенные между собой трубки, их толщина в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. При этом и сами трубки изнутри полые. Первые образцы нового материала были сделаны из сплава фосфора и никеля, нанесенного на полимерную губчатую основу. Возможности применения Microlattice практически безграничны. В частности, появление материала было на «ура» встречено авиационной промышленностью, ведь изготовленные из ультралегкого материала компоненты самолета сократят общую массу лайнера, что поможет существенно сэкономить на топливе.

Microlattice — как это сделано?

Видео: youtube.com/user/SciNewsRo

Гибкая и легкая сталь

В последние десятилетия сталь как материал для производства стремительно теряла популярность. И это не удивительно, сталь — материал прочный, но при этом очень тяжелый, именно поэтому ее не используют, например, в авиастроении. На первый взгляд решить эту проблему несложно: можно добавить в сплав более легкий алюминий. Эксперименты показали: это и в самом деле значительно уменьшает массу стального сплава, однако материал получается очень хрупким. Такой металл нельзя согнуть — в какой-то момент он просто ломается.

Материалы по теме

Топ разработок красноярских айтишников

Материал для суперкомпьютера, «интеллектуальные помощники» и дополненная реальность

Над решением этой задачи еще с 70-х годов прошлого века бились ученые по всему миру. Сравнительно недавно хорошие новости пришли из Южной Кореи, где был получен новый стальной сплав — легкий и в то же время прочный. Для этого ученые воздействовали на структуру сплава алюминия-стали на наноуровне, а также добавили в него немного никеля. Не приходится сомневаться, что вскоре эта разработка получит повсеместное применение, ведь новый сплав обладает тем же коэффициентом удельной прочности, что и титан, но при этом стоит в десять раз дешевле.

Пластмассовый металл

Материал, соединяющий в себе податливость пластмассы и прочность металла, был создан в Йельском университете. Он получил название BMG (от bulk metallic glasses). Уникальность разработки в том, что при низких температурах и давлении материал подобно пластмассе смягчается, а также способен переходить в текучее состояние.

Такими свойствами BMG обладает благодаря своей структуре: ее основу составляют так называемые «аморфные металлические стекла». Это сплав по своим свойствам похожий на обычный металл, но при этом способный принимать различные формы, как пластик. Именно это сочетание качеств делает BMG одним из лучших материалов для создания миниатюрных и сложных по форме предметов и устройств, таких как медицинские импланты или элементы микроэлектроники.

Гидрофобный металл

Гидрофобные — отталкивающие воду материалы — сегодня не редкость. Однако все они по своей прочности вряд ли сравнятся с разработкой ученых из университета Рочестера. Им удалось создать гидрофобный металл. Для этого поверхность металла была обработана специальным лазером. Тончайшая гравировка придала материалу новые свойства: он, в буквальном смысле слова, отталкивает капли воды как резиновые мячики.

Сфер, где может пригодиться подобный материал, очень много. Это и самолетостроение — гидрофобный металл предотвратит обледенение воздушного судна, и кораблестроение — корпуса лайнеров будут менее подвержены коррозии.

Сплав магния и наночастиц для сверхлегких самолетов

Разработанный на основе магния и кремния металл взял лучшие свойства от своих «родителей»: плотность и легкость — от магния, твердость — от кремния. Совместить эти качества в одном материале удалось благодаря особой технологии производства — карбидокремниевые наночастицы не смешиваются с магнием, а распыляются в него. Именно поэтому готовый металл прочный и пластичный, но одновременно устойчив к воздействию высоких температур.

Исследователи рассчитывают, что их изобретение найдет применение в самолето- и автомобилестроении, также материал планируют использовать в производстве медтехники и электроники.

Так выглядит поверхность нового металла под микроскопом.

Металл для Росомахи

Новый металлический сплав с рекордно высокой температурой плавления — 4126 градусов Цельсия, это две третьих температуры поверхности Солнца, разрабатывают американские ученые.

Материалы по теме

Топ школ Красноярска для будущих медиков и биотехнологов

Как дать ребенку старт в перспективной профессии

Фильм: «Люди Икс: Дни минувшего будущего»

Мутанты возвращаются!

Пока материал получен только с помощью компьютерного моделирования. В его состав вошли гафний, углерод и азот. Следующим шагом в исследованиях станет синтез материала и испытания его свойств в лаборатории.

По расчетам ученых, новый металл станет самым прочным из ныне известных. У него пока нет названия, но разработку уже успели окрестить «адамантием». Так назывался вымышленный сверхпрочный металл, из которого были сделаны когти Росомахи — одного из героев фильма «Люди Икс». В качестве основной сферы применения нового суперметалла, в первую очередь, рассматривается космическая отрасль.

Наталья Мороз, интернет-газета Newslab.ru

Ссылки по теме:

Поделиться
14

0
Обсудить на форуме

Инновации и наука

Профессия будущего

18 различных типов металла — факты и применение

Многое произошло со времен бронзового века. Существуют тысячи различных типов и марок металла, и каждая из них разработана для очень специфических применений. Каждый день вы регулярно сталкиваетесь с десятками видов металлов. Вот интересное руководство, которое расскажет вам о некоторых из этих распространенных металлов и о том, где вы их найдете.

Сталь

Это, несомненно, самый распространенный металл в современном мире.

Сталь по определению — это железо смешанное с углеродом. Это соотношение обычно составляет около 99% железа и 1% углерода, хотя это соотношение может немного варьироваться.

Интересный факт: в 2017 году в мире было произведено более 1,8 миллиарда тонн стали (половина из которых была произведена в Китае). Средний африканский слон весит около 5 тонн. Если бы вы сложили слонов друг на друга, чтобы сформировать своеобразный мост на Луну (что на самом деле невозможно), он все равно был бы не таким тяжелым, как вес стали, производимой каждый год.

На самом деле существует много разных видов стали. Вот обзор основных типов:

Углеродистая сталь

Это базовая сталь, состоящая из углерода и железа, хотя в нее могут быть добавлены и другие элементы в очень небольшом количестве.

Три основные категории — это сталь с низким, средним и высоким содержанием углерода. Больше углерода — сталь будет тверже и прочнее. Меньше углерода — дешевле, мягче и проще в производстве.

Углеродистая сталь чаще всего используется в качестве конструкционного строительного материала, в простых механических компонентах и в различных инструментах.

Легированная сталь

Считайте, что это генетически модифицированная сталь. Легированная сталь производится путем добавления других элементов в смесь. Это изменяет свойства и, по сути, делает металл настраиваемым. Это чрезвычайно распространенный тип металла, поскольку его производство, как правило, остается очень дешевым.

Обычные легирующие элементы для стали включают марганец, ванадий, хром, никель и вольфрам. Каждый из этих элементов по-разному изменяет свойства металла.

Например, легирование стали может придать дополнительную прочность высокопроизводительным шестерням, повысить коррозионную и износостойкость медицинских имплантатов, а также увеличить давление, которое могут выдержать трубопроводы. В целом, сталь считается «рабочей лошадкой» в мире металлов.

Нержавеющая сталь

Технически это разновидность легированной стали, но существует так много её видов в таких огромных количествах, что обычно ей присваивается отдельная категория. Эта сталь специально ориентирована на устойчивость к коррозии.

В основном это просто сталь с заметным количеством хрома. При коррозии хром создает супертонкий слой, замедляющий образование ржавчины. Если вы сотрете этот барьер, тут же образуется новый.

Вы можете увидеть много изделий из нержавеющей стали на кухне: ножи, столы, посуда, все, что соприкасается с пищей.

Не очень приятный факт: если что-то сделано из нержавеющей стали, это не значит, что оно не может ржаветь. Различные составы в разной степени предотвращают ржавление. Нержавеющая сталь, которая используемая в соленой воде, должна быть особенно устойчивой к коррозии, чтобы не гнить. Но все виды нержавеющей стали ржавеют, если за ними не ухаживать должным образом.

Железо (кованое или литое)

Несмотря на то, что это супер-старомодный металл (особенно распространенный в «железный век»), он все еще имеет множество современных применений.

Во-первых, это основной ингредиент стали. Но помимо этого, вот несколько других областей применения и объяснение того, почему используется железо:

Посуда (например, сковороды) — пористая поверхность позволит кулинарным маслам пригореть и создать естественную антипригарную поверхность.
Дровяные печи — чугун имеет чрезвычайно высокую температуру плавления, поэтому печь может выдерживать высокие температуры.
Основания и рамы для тяжелой техники — этот тяжелый металл снижает вибрацию и обеспечивает жесткость

Интересный факт: железо — шестой по распространенности элемент во Вселенной.

Алюминий

Что касается металлов, то это действительно современный металл. Впервые алюминий был произведен в 1825 году, и с тех пор он стал основой для некоторых крупных достижений.

Например, из-за своего удивительного отношения прочности к весу это металл, который в значительной степени ответственен за полет и доставку человека на Луну. Он легко формируется (податлив) и не ржавеет, что делает его отличным средством для изготовления банок из-под газировки. И, что (возможно), самое главное, из него можно сделать очень тонкий лист, который можно использовать для приготовления барбекю из свежевыловленной рыбы до идеального состояния.

Хотя процесс производства алюминия немного сложнее, чем некоторых других металлов, на самом деле это чрезвычайно распространенный металл. Это самый распространенный цветной металл (не содержащий железа) на планете.

Хотя он не ржавеет, он окисляется. На самом деле железо — единственный металл, который по определению «ржавеет». При контакте с солью алюминий подвержен коррозии. Однако он не подвержен коррозии при контакте с водой. Это делает алюминий действительно полезным для изготовления таких вещей, как пресноводные лодки.

Магний

Магний — действительно классный металл. Он весит примерно на 2/3 меньше алюминия и обладает сравнимой прочностью. Благодаря этому он становится все более распространенным.

Чаще всего его можно встретить в виде сплава. Это означает, что его смешивают с другими металлами и элементами, чтобы получить гибридный материал со специфическими свойствами. Это также может облегчить его использование в производственных процессах.

Одно из самых популярных применений магния — автомобильная промышленность. Магний считается шагом вперед по сравнению с алюминием, когда речь идет о высокопрочном снижении веса, и он не является астрономически более дорогим.

В некоторых случаях магний можно увидеть в колесных дисках, блоках двигателя и коробках передач.

Однако у магния есть недостатки. По сравнению с алюминием он легче подвержен коррозии. Например, он подвергнется коррозии при контакте с водой, в то время как алюминий не ржавеет.

В целом он стоит примерно вдвое дороже алюминия, но в целом быстрее обрабатывается на производстве.

Интересный факт: магний очень огнеопасен и горит очень горячо. Металлическую стружку, опилки и порошок необходимо тщательно утилизировать во избежание взрыва.

Медь

Медь — еще один старомодный металл. Сегодня вы часто будете видеть его в виде сплава (подробнее об этом позже) или в достаточно чистом состоянии.

Распространенное применение — электроника, водопроводные трубы и гигантские статуи, олицетворяющие свободу. На меди образуется патина, или окисленный слой, который фактически предотвращает дальнейшую коррозию. По сути, она позеленеет и перестанет коррозировать. Благодаря этому она может прослужить века.

Статуя Свободы сделана из меди и покрыта патиной или оксидным слоем, что придает ей зеленовато-голубой оттенок.

Латунь

Латунь на самом деле представляет собой сплав меди и цинка. Полученный желтый металл действительно полезен по ряду причин.

Его золотистый цвет делает его очень популярным для декора. Этот металл часто используется в антикварной мебели в качестве ручек.

Он также чрезвычайно пластичен, что означает, что его можно выковать и сформировать. Вот почему он используется для медных духовых инструментов, таких как тубы, трубы и тромбоны.

Латунь также является отличным материалом для подшипников, поскольку она хорошо скользит по другим металлам.

Еще одно отличное свойство латуни — она никогда не искрится. Например, стальной молоток может вызвать искру, если по нему ударить определенным образом. Латунный молоток этого не делает. Это означает, что латунные инструменты отлично подходят для областей, где могут находиться легковоспламеняющиеся газы, жидкости или порошки.

Бронза

Этот металл изготавливается в основном из меди, но также содержит около 12% олова. В результате получается металл, более твердый и прочный, чем обычная медь.

Бронза также может быть сплавом с другими элементами. Например, распространенными легирующими элементами являются алюминий, никель, цинк и марганец. Каждый из них может очень заметно изменить металл.

Бронза имеет огромное историческое значение (например в бронзовом веке), и её легко отличить. Часто её можно увидеть в массивных церковных колоколах. Бронза твердая и прочная, поэтому при ударе не трескается и не гнется, как другие металлы. Кроме того, она лучше звучит.

Современное использование бронзы включает в себя скульптуры и произведения искусства, пружины и подшипники, а также гитарные струны.

Интересный факт: бронза была первым искусственным сплавом.

Цинк

Это интересный металл, потому что он очень полезен. Сам по себе он имеет довольно низкую температуру плавления, что делает его очень простым в отливке. Материал легко течет при плавлении, а получаемые изделия получаются относительно прочными. Его также очень легко расплавить, чтобы переработать.

Цинк — действительно распространенный металл, который используется в покрытиях для защиты других металлов. Например, часто можно увидеть оцинкованную сталь, которая в основном представляет собой просто сталь, смоченную в цинке. Это помогает предотвратить ржавление.

Интересный факт: ежегодно производится около 12 миллионов тонн цинка, половина из которых идет на цинкование.

Титан

Это действительно потрясающий современный металл. Впервые он был обнаружен в 1791 году, впервые создан в чистом виде в 1910 году и впервые изготовлен вне лаборатории в 1932 году.

Титан на самом деле очень распространен (седьмой по распространенности металл на Земле), но его действительно сложно очистить. Вот почему этот металл такой дорогой. Но он также очень ценен:

Титан биосовместим, а это означает, что ваше тело не будет сопротивляться и отвергать его. Медицинские имплантаты обычно изготавливают из титана.
Его соотношение прочности к весу выше, чем у любого другого металла. Это делает его чрезвычайно ценным для всего, что летает.
Он действительно устойчив к коррозии.
Нитрид титана (титан, прореагировавший с азотом в высокоэнергетическом вакууме) — это безумно твердое покрытие с низким коэффициентом трения, которое наносится на металлические режущие инструменты.

Интересный факт: титан сопротивляется коррозии потому, что он мгновенно вступает в реакцию с кислородом, создавая очень тонкий и прочный барьер, защищающий металл. Если соскрести барьер, мгновенно образуется новый.

Еще один забавный факт: титан не встречается в природе сам по себе. Он всегда соединен с другим элементом.

Вольфрам

Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления и самый высокий предел прочности на разрыв среди всех чистых металлов. Это делает его чрезвычайно полезным.

Около половины всего вольфрама используется для производства карбида вольфрама. Это безумно твердый материал, который используется для изготовления режущих инструментов (для горнодобывающей и металлообрабатывающей промышленности), абразивов и тяжелого оборудования. Он может легко резать титан и высокотемпературные сверхпрочные сплавы.

Он получил свое название от шведских слов «вольфрам», что означает «тяжелый камень». Его плотность примерно в 1,7 раза выше плотности свинца.

Вольфрам также является популярным легирующим элементом. Поскольку его температура плавления очень высока, его часто сплавляют с другими элементами для изготовления таких вещей, как сопла ракет, которые должны выдерживать экстремальные температуры.

Адамантий

Его не существует. К счастью.

Никель

Никель — очень распространенный элемент, который используется повсеместно. Чаще всего он применяется в производстве нержавеющей стали, где он повышает прочность и коррозионную стойкость металла. На самом деле, почти 70% никеля в мире используется для производства нержавеющей стали.

В составе пятицентовой американской монеты никель составляет 25%.

Никель также является распространенным металлом, используемым для нанесения покрытий и легирования. Его можно использовать для покрытия лабораторного и химического оборудования, а также всего, что требует действительно гладкой, полированной поверхности.

Интересный факт: никель получил свое название из немецкого фольклора средневековой эпохи. Никелевая руда очень похожа на медную, но когда старые шахтеры не смогли получить из нее медь, они обвинили в этом озорного призрака по имени Никель.

Кобальт

Этот металл издавна использовался для получения синего пигмента в красках и красителях. Сегодня он в основном используется для изготовления износостойких, высокопрочных стальных сплавов.

Сам по себе кобальт очень редко добывают, на самом деле это побочный продукт производства меди и никеля.

Олово

Олово очень мягкое и ковкое. Оно используется в качестве легирующего элемента для изготовления таких вещей, как бронза (1/8 часть олова и 7/8 части меди).

Забавный факт: когда вы сгибаете брусок олова, вы можете услышать нечто, называемое «оловянным криком». Это звонкий звук реорганизации кристаллической структуры (так называемое двойникование).

Свинец

Свинец действительно мягкий и податливый, а также очень плотный и тяжелый. У него очень низкая температура плавления.

В 1800-х годах было обнаружено, что свинец на самом деле является довольно токсичным веществом. Вот почему в наше время это не так распространено, хотя не так давно его все еще находили в красках и пулях.

Свинец — это нейротоксин, который, помимо прочего, может вызывать повреждение мозга и проблемы с поведением.

Тем не менее, у него все еще есть современные применения. Например, он отлично подходит для защиты от радиации. Его также иногда добавляют в медные сплавы, чтобы облегчить их резку. Смесь свинца и меди часто используется для улучшения характеристик подшипников.

Кремний

С технической точки зрения кремний — это металлоид. Это означает, что он обладает как металлическими, так и неметаллическими качествами.

Например, он похож на металл. Он прочный, блестящий, гибкий и имеет высокую температуру плавления. Однако он ужасно проводит электричество. Отчасти поэтому он не считается полноценным металлом.

Тем не менее, этот элемент часто встречается в металлах. Его использование для легирования может сильно изменить свойства металла. Например, добавление кремния в алюминий облегчает его сварку.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!

Недавно обнаруженный тип «странного металла» может привести к глубокому пониманию — ScienceDaily

Ученые достаточно хорошо понимают, как температура влияет на электропроводность большинства повседневных металлов, таких как медь или серебро. Но в последние годы исследователи обратили свое внимание на класс материалов, которые, похоже, не следуют традиционным электрическим правилам. Понимание этих так называемых «странных металлов» может дать фундаментальное представление о квантовом мире и потенциально помочь ученым понять странные явления, такие как высокотемпературная сверхпроводимость.

Исследовательская группа под руководством физика из Университета Брауна сделала новое открытие в странной смеси металлов. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда обнаружила странное поведение металла в материале, в котором электрический заряд переносится не электронами, а более «волнообразными» объектами, называемыми парами Купера.

В то время как электроны принадлежат к классу частиц, называемых фермионами, куперовские пары действуют как бозоны, которые следуют совсем другим правилам, чем фермионы. Это первый раз, когда в бозонной системе наблюдается странное поведение металлов, и исследователи надеются, что это открытие может помочь найти объяснение того, как работают странные металлы — то, что ускользало от ученых на протяжении десятилетий.

«У нас есть эти два принципиально разных типа частиц, поведение которых сходятся вокруг загадки», — сказал Джим Валлес, профессор физики в Брауновском университете и автор исследования. «Это говорит о том, что любая теория, объясняющая странное поведение металлов, не может быть специфичной для любого типа частиц. Она должна быть более фундаментальной».

Странные металлы

Странное поведение металлов было впервые обнаружено около 30 лет назад в классе материалов, называемых купратами. Эти материалы на основе оксида меди наиболее известны как высокотемпературные сверхпроводники, то есть они проводят электричество с нулевым сопротивлением при температурах, намного превышающих температуру обычных сверхпроводников. Но даже при температурах выше критической для сверхпроводимости купраты ведут себя странно по сравнению с другими металлами.

С повышением температуры сопротивление купратов возрастает строго линейно. В нормальных металлах сопротивление увеличивается лишь до определенного предела, становясь постоянным при высоких температурах в соответствии с так называемой теорией ферми-жидкости. Сопротивление возникает, когда электроны, протекающие в металле, сталкиваются с вибрирующей атомной структурой металла, заставляя их рассеиваться. Теория ферми-жидкости устанавливает максимальную скорость, при которой может происходить рассеяние электронов. Но странные металлы не подчиняются законам ферми-жидкости, и никто точно не знает, как они работают. Что действительно известно ученым, так это то, что соотношение температуры и сопротивления в странных металлах, по-видимому, связано с двумя фундаментальными константами природы: постоянной Больцмана, которая представляет энергию, производимую случайным тепловым движением, и постоянной Планка, которая связана с энергией фотона. (частица света).

«Чтобы попытаться понять, что происходит в этих странных металлах, люди применили математические подходы, подобные тем, которые используются для понимания черных дыр», — сказал Валлес. «Таким образом, в этих материалах происходит очень фундаментальная физика».

О бозонах и фермионах

В последние годы Валлес и его коллеги изучали электрическую активность, в которой носителями заряда не являются электроны. В 1952 году лауреат Нобелевской премии Леон Купер, ныне почетный профессор физики Брауна, обнаружил, что в обычных сверхпроводниках (а не в высокотемпературных сверхпроводниках, открытых позже) электроны объединяются, образуя куперовские пары, которые могут скользить сквозь атомную решетку без сопротивления. . Несмотря на то, что они образованы двумя электронами, которые являются фермионами, куперовские пары могут действовать как бозоны.

«Фермионные и бозонные системы обычно ведут себя очень по-разному, — сказал Валлес. «В отличие от отдельных фермионов, бозонам разрешено иметь одно и то же квантовое состояние, что означает, что они могут двигаться коллективно, как молекулы воды в ряби волны».

В 2019 году Валлес и его коллеги показали, что парные бозоны Купера могут проявлять металлическое поведение, то есть они могут проводить электричество с некоторым сопротивлением. По словам исследователей, это само по себе было неожиданным открытием, потому что элементы квантовой теории предполагали, что это явление невозможно. Для этого последнего исследования команда хотела увидеть, являются ли бозонные металлы куперовской пары также странными металлами.

Команда использовала купратный материал под названием иттрий-барий-медный оксид с крошечными отверстиями, создающими металлическое состояние куперовской пары. Команда охладила материал чуть выше его температуры сверхпроводимости, чтобы наблюдать за изменениями его проводимости. Они обнаружили, подобно фермионным странным металлам, металлическую проводимость куперовской пары, линейную с температурой.

Исследователи говорят, что это новое открытие даст теоретикам что-то новое, что они смогут понять, пытаясь понять странное поведение металлов.

«Теоретикам было непросто найти объяснение тому, что мы видим в странных металлах, — сказал Валлес. «Наша работа показывает, что если вы собираетесь моделировать перенос заряда в странных металлах, эта модель должна применяться как к фермионам, так и к бозонам, даже несмотря на то, что эти типы частиц подчиняются принципиально разным правилам».

В конце концов, теория странных металлов может иметь серьезные последствия. Странное поведение металла может стать ключом к пониманию высокотемпературной сверхпроводимости, которая имеет огромный потенциал для таких вещей, как электрические сети без потерь и квантовые компьютеры. А поскольку странное поведение металлов, по-видимому, связано с фундаментальными константами Вселенной, понимание их поведения может пролить свет на основные истины о том, как устроен физический мир.

18 различных типов металлов (факты и применение) – сделать из металла

Многое произошло со времен бронзового века. Существуют тысячи различных типов и марок металла, и каждый из них разработан для очень специфического применения.

Каждый день вы будете регулярно вступать в контакт с десятками видов металлов. Вот интересное руководство, которое проведет вас через некоторые из этих распространенных металлов и где вы их найдете.

Содержание