새로운 나노쌍둥이 티타늄으로 지속 가능한 제조 가능

Berkeley Lab's Molecular Foundry의 과학자들은 전자 후방 산란 회절(EBSD)이라는 전자 현미경 기술을 사용하여 나노쌍정 구조를 갖는 순수 티타늄 구조를 이미지화했습니다. 각 색상은 곡물의 고유한 방향을 나타냅니다. 얇은 스트립은 극저온 단조라는 공정을 통해 생성된 나노쌍정 구조를 드러냅니다. (제공: Andy Minor/Berkeley Lab)

– 줄리 포르나시아리(Julie Fornaciari)

티아이테니엄은 강하고 가볍습니다. 구조용 금속 중 무게 대비 강도가 가장 높습니다. 그러나 강도와 연성(금속이 파손되지 않고 인출되는 능력)의 적절한 균형을 유지하면서 가공하는 것은 어렵고 비용이 많이 듭니다. 결과적으로 티타늄은 일부 산업에서 틈새 용도로만 사용되었습니다.

이제 사이언스(Science) 저널에 발표된 최근 연구에 따르면, 에너지부 산하 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab) 연구원들은 새롭고 실용적인 발전 방향을 발견했습니다.

팀은 극저온 단조라는 기술을 사용하여 초저온에서 10억분의 1미터(나노미터) 규모의 순수 티타늄을 조작하여 연성을 전혀 희생하지 않고 초강력 "나노쌍정" 티타늄을 생산할 수 있다는 사실을 발견했습니다. .

Berkeley Lab의 Molecular Foundry 연구원들이 공동 개발한 새로운 기술은 Science 저널의 9월 17일자 표지 기사에 실렸습니다. (사이언스 제공)

Berkeley Lab의 나노과학 사용자 시설인 Molecular Foundry의 국립 전자현미경 센터 소장이자 연구 프로젝트 책임자인 Andrew Minor는 "이 연구는 누군가가 벌크 물질로 순수한 나노쌍둥 구조를 생성한 최초의 연구입니다."라고 말했습니다. "나노쌍정 티타늄을 사용하면 더 이상 강도와 연성 사이에서 선택할 필요가 없으며 대신 두 가지 모두를 달성할 수 있습니다."

금속의 기계적 특성은 부분적으로 입자(재료의 내부 구조를 형성하는 반복되는 원자 패턴의 작은 개별 결정 영역)에 따라 달라집니다. 패턴이 변하는 입자 사이의 경계는 전위로 알려진 결함이 이동하는 것을 막고 재료의 구조를 약화시켜 금속을 강화합니다. 입자를 거리로, 입자 경계를 원자 "자동차"의 통과를 막는 신호등으로 상상해 보십시오.

금속을 강화하는 한 가지 방법은 단조를 통해 단순히 입자의 크기를 줄여 더 많은 경계를 만드는 것입니다. 즉, 재료를 굴리거나 망치로 두드려 고온 또는 실온에서 압축하는 것입니다. 그러나 이러한 유형의 가공은 연성을 희생하는 경우가 많습니다. 내부 구조가 부서져 파손되기 쉽습니다. 더 작은 입자의 "거리"와 "신호등"의 증가는 원자 교통 쌓임을 초래하고 재료를 파손시킵니다.

UC Berkeley의 재료 과학 및 공학 교수이기도 한 Minor는 "재료의 강도는 일반적으로 내부 입자의 크기와 관련이 있습니다. 작을수록 좋습니다."라고 말했습니다. "그러나 높은 강도와 ​​연성은 일반적으로 상호 배타적인 특성입니다."

나노쌍둥이를 입력하세요. 나노쌍둥이는 결정 구조의 작은 경계가 서로 거울상처럼 대칭적으로 정렬되는 특정 유형의 원자 배열입니다. 원자 도로로 돌아가서, 곡물 "거리"의 신호등은 나노쌍둥이 구조를 갖춘 과속방지턱으로 바뀌어 원자가 증가된 강도를 유지하면서 스트레스가 쌓이지 않고 더 쉽게 이동할 수 있게 해줍니다.

나노쌍둥이 물질은 새로운 것이 아닙니다. 그러나 이를 제조하려면 일반적으로 비용이 많이 드는 전문 기술이 필요합니다. 이러한 기술은 구리와 같은 특정 금속 세트에 적용되었으며 일반적으로 박막을 만드는 데만 사용됩니다. 더욱이, 대부분의 경우 박막 특성은 벌크 재료로 변환되지 않습니다.

나노쌍정 티타늄을 만들기 위해 연구팀은 초저온에서 금속 구조를 조작하는 극저온 단조라는 간단한 기술을 사용했습니다. 이 기술은 매우 순수한(99.95% 이상) 티타늄 큐브를 화씨 영하 321도의 액체 질소에 넣는 것으로 시작됩니다. 큐브가 물속에 잠겨 있는 동안 큐브의 각 축에 압축이 적용됩니다. 이러한 조건에서 물질의 구조는 나노쌍둥이 경계를 형성하기 시작합니다. 큐브는 나중에 화씨 750도까지 가열되어 쌍둥이 경계 사이에 형성된 구조적 결함을 제거합니다.