July 30, 2015
Source: ASM International
Berechnungen zeigen, dass ein Material, das mit den richtigen Mengen an Hafnium, Stickstoff und Kohlenstoff hergestellt wird, einen Schmelzpunkt von mehr als 4400 K (7460°F) haben würde. Das sind etwa zwei Drittel der Temperatur an der Sonnenoberfläche und 200 K höher als der höchste jemals experimentell gemessene Schmelzpunkt.
Der experimentelle Rekordhalter ist eine Substanz aus den Elementen Hafnium, Tantal und Kohlenstoff (Hf-Ta-C). Doch die neuen Berechnungen legen nahe, dass eine optimale Zusammensetzung aus Hafnium, Stickstoff und Kohlenstoff – HfN0,38C0,51 – ein vielversprechender Kandidat für eine neue Marke ist. Der nächste Schritt, den die Forscher jetzt unternehmen, besteht darin, Material zu synthetisieren und die Ergebnisse im Labor zu bestätigen.
„Der Vorteil, mit dem rechnerischen Ansatz zu beginnen, ist, dass wir sehr kostengünstig viele verschiedene Kombinationen ausprobieren und diejenigen finden können, mit denen es sich lohnen könnte, im Labor zu experimentieren“, sagt Axel van de Walle, außerordentlicher Professor für Ingenieurwissenschaften an der Brown University. „Sonst würden wir nur im Dunkeln tappen. Jetzt wissen wir, dass wir etwas haben, das einen Versuch wert ist.“
Die Forscher nutzten eine Rechentechnik, die Schmelzpunkte durch die Simulation physikalischer Prozesse auf atomarer Ebene herleitet und dabei den Gesetzen der Quantenmechanik folgt. Die Technik betrachtet die Dynamik des Schmelzens, wie sie auf der Nanoskala, in Blöcken von 100 oder so Atomen, stattfindet. Sie ist effizienter als herkömmliche Methoden, aber aufgrund der großen Anzahl potenzieller Verbindungen, die getestet werden müssen, immer noch rechenintensiv. Die Arbeit wurde mit dem XSEDE-Computernetzwerk der National Science Foundation und dem „Oscar“-Hochleistungscomputercluster der Brown University durchgeführt.
Das Team analysierte das Material Hf-Ta-C, dessen Schmelzpunkt bereits experimentell bestimmt worden war. Die Simulation konnte einige der Faktoren aufklären, die zu der bemerkenswerten Hitzetoleranz des Materials beitragen.
Die Arbeit zeigt, dass Hf-Ta-C eine hohe Schmelzwärme (die Energie, die beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand freigesetzt oder aufgenommen wird) mit einem geringen Unterschied zwischen den Entropien (Unordnung) der festen und flüssigen Phasen kombiniert. „Was etwas zum Schmelzen bringt, ist die Entropie, die im Prozess der Phasenumwandlung gewonnen wird“, erklärt van de Walle. „Wenn also die Entropie des Festkörpers bereits sehr hoch ist, neigt das dazu, den Festkörper zu stabilisieren und den Schmelzpunkt zu erhöhen.“
Die Forscher nutzten dann diese Erkenntnisse, um nach Verbindungen zu suchen, die diese Eigenschaften maximieren könnten. Sie fanden heraus, dass eine Verbindung mit Hafnium, Stickstoff und Kohlenstoff eine ähnlich hohe Schmelzwärme, aber eine geringere Differenz zwischen den Entropien des Festkörpers und der Flüssigkeit haben würde. Als sie den Schmelzpunkt mit Hilfe ihres Berechnungsansatzes berechneten, lag er 200 K höher als der experimentelle Rekord.
Die Gruppe arbeitet nun mit dem Labor von Alexandra Navrotsky an der University of California, Davis, zusammen, um die Verbindung zu synthetisieren und die Schmelzpunktexperimente durchzuführen. Navrotksys Labor ist für solche Hochtemperaturexperimente ausgestattet.
Potenzielle Anwendungen?
Die Arbeit könnte letztlich auf neue Hochleistungsmaterialien für eine Vielzahl von Anwendungen hinweisen, von der Beschichtung für Gasturbinen bis hin zu Hitzeschilden für Hochgeschwindigkeitsflugzeuge. Aber ob die HfN0.38C0.51-Verbindung selbst ein nützliches Material sein wird, ist nicht klar, sagt van de Walle.
„Der Schmelzpunkt ist nicht die einzige Eigenschaft, die wichtig ist“, sagt er. „Man müsste auch Dinge wie mechanische Eigenschaften und Oxidationsbeständigkeit und alle möglichen anderen Eigenschaften berücksichtigen. Wenn man also diese Dinge berücksichtigt, könnte man andere Dinge dazu mischen, die den Schmelzpunkt senken könnten. Aber da man schon so hoch anfängt, hat man mehr Spielraum, um andere Eigenschaften einzustellen. Ich denke, das gibt den Leuten eine Vorstellung davon, was man tun kann.“
Die Arbeit demonstriert auch die Leistungsfähigkeit dieser relativ neuen Rechentechnik, sagt van de Walle. In den letzten Jahren hat das Interesse an der Verwendung von Berechnungen zur Erforschung der Materialeigenschaften einer großen Anzahl von Kandidatenverbindungen zugenommen, aber ein Großteil dieser Arbeit hat sich auf Eigenschaften konzentriert, die viel einfacher zu berechnen sind als der Schmelzpunkt. „Der Schmelzpunkt ist ein wirklich schwieriges Vorhersageproblem, verglichen mit dem, was bisher gemacht wurde“, sagt van de Walle. „
Finanziert wurde das Projekt vom U.S. Office of Naval Research und der Brown University durch die Nutzung der Einrichtungen des Center for Computation and Visualization. Das Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), das in dieser Studie verwendet wurde, wird von der National Science Foundation unterstützt.
Fachklassifikationen
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