I en højentropi-legering er atomerne tilfældigt placeret, men danner en krystallinsk struktur.
I en højentropi-legering er atomerne tilfældigt placeret, men danner en krystallinsk struktur.

Foto : Lasse Gorm Jensen

Nye legeringers gode egenskaber skyldes tilfældighed

Fra Ingeniøren PLUS: Interessen for legeringer med fem eller flere grundstoffer, såkaldte højentropi­legeringer, er eksploderet. Forskere på Københavns Universitet undersøger, hvordan de kan fungere som katalysatorer inden for elektrokemi.
Den menneskelige civilisation og dens fremskridt er lige siden bronzealderen knyttet til materialer, herunder opdagelsen af nye metaller og legeringer. Nye metaller er der ikke flere at opdage af, men inden for legeringer er der nu åbnet op for myriader af nye kombinationsmuligheder i form af såkaldte højentropi-legeringer, som er fem eller flere grundstoffer blandet sammen på en helt tilfældig måde.
starLog ind eller prøv 3 ugers gratis prøveabonnement for at læse videre

IndustryTech er for professionelle i industri- og produktionsvirksomheder. Vi giver dig indblik i de nyeste teknologiske løsninger, så du kan navigere i en digital og automatiseret virkelighed.

Opskriften på en højentropilegering

Antallet af mulige legeringer med mange grundstoffer er næsten endeløst. I princippet er det muligt at bruge 72 metalliske grundstoffer, der hverken er radioaktive, ustabile eller på anden måde uegnede til legeringer. En udvælgelse af 5 af disse kan gøres på næsten 14 millioner måder – og 6 kan udvælges på flere end 156 millioner måder. I praksis er alle 72 metaller ikke velegnede, men kombinationsmulighederne er stadig enorme, når man tilmed også kan variere mængder af de forskellige grundstoffer.

Når man blander flere metaller sammen, kan resultatet blive en metalstruktur med en enkelt fase, hvor de enkelte dele er blandet godt sammen, eller en multifasestruktur, hvor de enkelte ingredienser sidder sammen med ligesindede, eller som et amorft (glasagtigt) materiale. Kun den første er en højentropi-legering. Om man får det ene eller det andet afhænger af ændringen i Gibbs-energien 𝛥G, som er givet ved 𝛥G = 𝛥H - T𝛥S, hvor 𝛥H er ændringen i entalpi (summen af den indre energi og tryk gange volumen), T er det gennemsnitlige smeltepunkt, som typisk er 2.000 kelvin for de indgående metaller, og 𝛥S er ændringen i entropi. Spontane kemiske reak­tioner kræver, at denne er negativ.

Blanding af n materialer i et ligeligt forhold giver 𝛥S = Rln(n), hvor er R er gaskonstanten 8,3145 J/(mol∙K). Ændringen i entropi øges altså med antallet af metaller, men kun logaritmisk. Derudover spiller forskellen i atomradier for de indgående grundstoffer også ind. Er den for stor, kan atomerne ikke sidde i samme gitter. Denne udregnes som et vægtet gennemsnit og angives med parametren 𝛿.

Empirisk har man fundet, at for at danne en højentropi-legering skal følgende være opfyldt:

-15 kJ/mol < 𝛥H < 5 kJ/mol, T𝛥S/|𝛥H| > 1,1 og 𝛿 < 0,066

Om strukturen bliver kubisk fladecentreret (fcc) eller kubisk rumcentreret (bcc) bestemmes af gennemsnittet for antallet af valenselektroner for de indgående grundstoffer, dvs. de elektroner der kan indgå i bindinger.