Legeringen met hoge entropie: structurele wanorde en magnetische eigenschappen

Legeringen met hoge entropie of HEA’s bestaan ​​uit vijf of meer verschillende metalen elementen en zijn een uiterst interessante materiaalklasse met een grote diversiteit aan potentiële toepassingen. Omdat de macroscopische eigenschappen van HEA’s sterk afhankelijk zijn van interatomaire interacties, kunnen onderzoekers hun lokale structuur en structurele wanorde rond elk afzonderlijk element onderzoeken met behulp van elementspecifieke technieken.

Nu heeft een team een ​​zogenaamde Cantor-legering onderzocht, een modelsysteem om de effecten van hoge entropie op lokale en macroscopische schalen te bestuderen.

Een gereedschapskist bij BESSY II

Om de lokale omgeving van afzonderlijke componenten te onderzoeken, gebruikte het team multi-edge röntgenabsorptiespectroscopie (EXAFS) bij BESSY II en vervolgens de omgekeerde Monte Carlo-methode om de verzamelde gegevens te analyseren. De magnetische eigenschappen van elk element van de legering werden bovendien onderzocht met behulp van X-ray magnetisch circulair dichroïsme (XMCD) techniek.

Met conventionele magnetometrie bewezen de wetenschappers de aanwezigheid van magnetische faseovergangen en vonden enkele kenmerken van een complexe magnetische ordening met het naast elkaar bestaan ​​van verschillende magnetische fasen.

Veelvoorkomende trends in bulk- en nanofilmmonsters

De resultaten van de onderzochte nanokristallijne film gemaakt van deze legering tonen enkele algemene trends in vergelijking met een bulkmonster, bijvoorbeeld de grootste roosterrelaxaties van chroom en nog steeds intrigerend magnetisch gedrag van mangaan, die consistent zijn met het macroscopische magnetische gedrag van de film.

“Hoge entropie legeringen zijn een zeer diverse en opwindende klasse van materialen”, zegt Dr. Alevtina Smekhova, natuurkundige bij HZB en eerste auteur van het artikel. “Door het gedrag van afzonderlijke componenten op atomaire schaal te onderzoeken, zouden we waardevolle aanwijzingen krijgen voor de verdere ontwikkeling van nieuwe complexe systemen met de gewenste multifunctionaliteit”, zegt ze.

Drie eenvoudige vragen aan Dr. Alevtina Smekhova, eerste auteur van de studie:

Wat zijn legeringen met hoge entropie?

Het belangrijkste idee van de hele klasse van “hoge entropie” materialen is om vijf of meer elementen te mengen en te zien hoe de macroscopische eigenschappen zullen veranderen. Wanneer er zoveel elementen in één materiaal zijn, is het niet mogelijk om te zeggen dat er een “matrix” is en dat er een “verdund materiaal” is, dus alle elementen zijn op de een of andere manier “gelijk” voor de vaste oplossing, maar gedragen zich toch anders vanwege aan hun individuele eigenschappen zoals de grootte, lading, aantal elektronen, elektronegativiteit, enz.

Waarom zijn die HEA’s zo interessant?

Er werd gevonden dat veel macroscopische eigenschappen zoals mechanische hardheid, weerstand tegen bestraling, katalytische activiteit en vele andere aanzienlijk verbeterd zijn in vergelijking met conventionele legeringen. En het lijkt erop dat al deze eigenschappen verband houden met het aantal lokale configuraties, dat enorm is – miljarden – vanwege het aantal elementen.

Is er al een idee om ze te gebruiken?

Ja tuurlijk. Deze legeringen zijn hitte- en stralingsbestendig en kunnen worden gebruikt als verschillende coatings voor extreme omstandigheden, bijvoorbeeld in reactoren of in de luchtvaart. Recente scheikundige experimenten hebben aangetoond dat HEA’s goed zijn voor toepassingen van hernieuwbare energie en voor katalyse, bijvoorbeeld voor het splitsen van water. Veel mensen zijn momenteel op zoek naar nieuwe eigenschappen en toepassingen, en de belangrijkste factor om het veld vooruit te helpen, is het begrip van hoe individuele componenten van de legering zich gedragen op atomaire schaal. En met röntgenfoto’s van een synchrotron is het mogelijk om op bijna al deze vragen een antwoord te vinden.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nano-onderzoek.