Wetenschappers van de Universiteit van Hong Kong hebben een buitengewoon soort metaal ontdekt dat niet zachter, maar juist harder wordt bij hoge temperaturen.

Als een metaal heet wordt, wordt het ook zachter: dat is een van de vuistregels in de materiaalkunde. Of zeg maar gerust was, want een onderzoeksteam van de Universiteit van Hong Kong heeft voor het eerst een superelastische legering ontdekt die bij extreme hitte juist stijver wordt. Het metaal, met de sexy naam C_o25N_i25(HfTiZr)₅₀, is een unieke combinatie van onder andere nikkel, ijzer en chroom en is daarom een bepaald type elinvar-legering. Deze naam is een samenvoeging van de twee Franse woorden élasticité invariable, wat onveranderlijke elasticiteit betekent. Het leest ook net iets makkelijker.

Lees ook:

• Nieuwe test onthult hoe metaal ‘moe wordt’
• Universiteit van Amsterdam: één materiaal, twee functies
• Materiaal geeft licht wanneer je het uitrekt

Afwijking

De elinvar-legering heeft een zogeheten hoge elasticiteitsmodulus. Dat is een soort maatstaf voor de hardheid van een materiaal. Hoe hoger de elasticiteitsmodulus, hoe stijver het materiaal en hoe moeilijker het is om te vervormen. Normaalgesproken wordt de elasticiteitsmodulus van metaal lager zodra het heet wordt. In 2017 ontdekte Professor Yang een uitzondering op deze regel. Toen ontdekte hij de legering die op temperaturen boven de 726,85 graden Celsius juist harder werd.

Ongeveer vijf jaar na de ontdekking van de legering ontrafelden de Chinese onderzoekers het mechanisme achter het zogenoemde elinvar-effect. Net zoals andere metalen is de elinvar-legering opgebouwd uit een kristalstructuur. Die bestaat uit laagjes atomen die op vaste plaatsen en regelmatige afstanden zijn opgestapeld. Zodra deze structuur heet wordt, komen de atomen in beweging en glijden ze langs elkaar heen. Het metaal wordt daardoor minder compact en dus zachter.

Antislipmat

Anders dan bij de meeste metalen verschillen de atomen in de elinvar-legering enorm van grootte. Als het materiaal heet wordt, glijden de deeltjes daarom niet langs elkaar heen, maar botsen ze tegen elkaar aan. De onregelmatigheid in ieder atoomlaagje werkt eigenlijk als een soort antislipmat. Door de hitte willen de atomen bewegen, maar blijven ze achter ribbels en groeven van andere atoomlagen hangen waardoor ze met kracht in elkaar klemmen.

Dankzij de stevige atoomstructuur is het materiaal ook ontzettend elastisch. Als je bij kamertemperatuur een balletje van dit metaal met grote kracht op een harde ondergrond slaat, springt hij snel terug naar zijn originele vorm. In het filmpje hieronder zie je dat de elinvar-legering een veel grotere veerkracht heeft dan andere metalen.

Maanmetaal

De superelastische legering kan goed gebruikt worden in apparaten en meetinstrumenten die extreme gebieden onderzoeken, zoals de ruimte. Op het oppervlak van de maan, bijvoorbeeld, varieert de temperatuur van 122 tot -232 graden Celsius. Dat is voor deze legering geen probleem, omdat het spul sterk blijft in ijzige kou én intense hitte. De Chinese onderzoekers verrichtten dus echt een knap staaltje werk.

Bronnen: Nature, New Atlas, Phys.org

Beeld: Universiteit van Hong Kong

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!