Van koolstof en vijf verschillende metalen kun je extreem harde materialen maken met extreem hoge smeltpunten. Hoe je de meest interessante combinaties voorspelt, is deze week te lezen in Nature Communications.

Zulke metaal-koolstofcombinaties heten carbides. Ze worden al heel lang op industriële schaal toegepast vanwege hun hardheid en temperatuurbestendigheid. Maar dan zit er maar één metaal doorheen, of hooguit twee. Die bestaande combinaties zijn min of meer toevallig ingeburgerd: met 91 metalen in het huidige periodiek systeem is het ondoenlijk om alle mogelijkheden uit te proberen.

Dat geldt in nog sterkere mate als je een ‘hoogentropisch’ materiaal probeert te maken. Elk metaal kent zijn eigen kristalrooster, elke combinatie van metaal met koolstof eveneens. Als je een mengsel van meerdere metalen laat uitkristalliseren vormen ze gewoonlijk allemaal aparte kristalletjes, waarin elk atoom op zijn laagst mogelijke energieniveau komt te zitten. Zodra voldoende verschillende componenten aanwezig zijn gaat de entropiewinst, dus de wanorde, het echter winnen van de energiewinst die samengaat met zuivere kristallen. Dan kun je wél een mengkristal krijgen waarin al die metalen kriskras door elkaar zitten. Vijf verschillende metalen lijkt hiervoor tot nu toe de ondergrens.

Stefano Curtarolo en collega’s van Duke University hebben nu getracht een entropy-forming-ability descriptor (EFA) te formuleren, die enigszins voorspelt hoe hoog de entropie in zo’n mengkristal zal oplopen. Eigenlijk voorspel je dan hoe hard het wringt in een klein fragment van de kristalstructuur omdat de atomen allemaal op dezelfde afstand van elkaar komen te zitten en niet in hun eigen voorkeursconfiguratie. Dat bereken je voor een groot aantal willekeurig gekozen arrangementen van atomen.

Om het behapbaar te maken, beperkte Curtarolo zich tot acht metalen waarvan bekend is dat ze bruikbare carbides vormen: Hf, Nb, Mo, Ta, Ti, V, W en Zr. Het mogelijke aantal combinaties bedraagt dan ‘slechts’ 56. Voor het gemak namen ze daarbij aan dat de juiste mengverhouding 1:1:1:1:1 was, plus vijfmaal zoveel koolstofatomen.

De drie mengsels met de hoogst voorspelde EFA, de twee laagste en vier die er ergens tussenin zaten stuurden ze door naar Kenneth Vecchio en collega’s van de UC San Diego. Die probeerden deze negen hoogentropische carbides daadwerkelijk te maken door de acht afzonderlijke metaalcarbides in poedervorm te mengen en te onderwerpen aan field assisted sintering technique (FAST) waarbij je ze samenperst bij 30 MPa, verhit tot 2.200 °C en er tegelijk een elektrische stroom doorheen jaagt.

Zoals verwacht lukte het met de twee laagste EFA’s niet om een stabiel mengkristal te vormen. Met de hoogste drie lukte het wel en met drie van de vier overige mengsels ook. De EFA-benadering doet het dus niet slecht.

Van de zes geslaagde hoogentropische carbides zijn tot nu eigenlijk alleen de hardheden gemeten. Die bleken soms de helft hoger dan je verwacht op basis van bestaande rekenregels voor carbides. De hardste twee zijn HfNbTaTiZrC₅ en HfTaTiWZrC₅ met respectievelijk 32 en 33 GPa. MoNbTaVWC₅, de combinatie met de hoogst voorspelde EFA, doet er met 27 GPa weinig voor onder.

bron: Duke University