Nanometaller bøjer naturens love

Vores hverdag er fyldt med stadig flere og mere raffinerede metaller. F.eks. bruges der i dag 193 forskellige typer stål til karosseriet i en almindelig familiebil.

Stålet til hver enkelt del er nøje udvalgt og optimeret. F.eks. er det vigtigt, at alle dele er så lette som muligt af hensyn til benzinforbruget, mens andre dele af bilen skal være superstærke for at beskytte passagerne ved et sammenstød.

Metallers egenskaber er vidt forskellige, og et og samme metal kan endda behandles, så dets egenskaber ændres signifikant. I dag er mulighederne for at udvælge og forbedre et metals egenskaber til bestemt formål enorme. Den nyeste forskning bruger nanoteknologi til at udvikle metaller med egenskaber, der ændrer, hvad der hidtil har været muligt.

De metaller, vi typisk anvender i dag, består af krystaller (kaldet korn), som er meget store – typisk fra 10 mikrometer (dvs. 1/100 mm) til 1 mm store. Og til nogle anvendelser, f.eks. galvaniserede overflader, er kornene endda så store, at vi kan se dem med det blotte øje.

Det er for eksempel ofte tilfældet på lygtepæle, hvor kornene er centimeterstore og ses som områder med forskellig grå farvetone.

Mindre korn giver stærkere metal

Ved at gøre kornene små kan man forøge styrken af metallet. Hvis man f.eks. reducerer kornstørrelsen fire gange, får man den dobbelte styrke af metallet. Mindsker man f.eks. aluminiums kornstørrelse fra 40 til 10 mikrometer fordobles styrken, og materialeforbruget kan halveres.

Meget forskning og udvikling fokuserer på at reducere kornstørrelsen. I stål og aluminium er kornene bragt ned til 2 – 10 mikrometer. En mikrometer er en tusindedel millimeter. Men hvorfor ikke komme længere ned? Der er derfor overalt i verden i dag stor fokus på en ny klasse metaller: de såkaldte nanometaller, som er ekstremt stærke, og deres styrke kan kombineres med andre ønskede egenskaber. Nanometaller er metaller, i hvilke de enkelte korn er meget små – fra 10 til 1000 nanometer. En nanometer er en milliontedel af en millimeter.

Superstyrke undrer forskerne

Et eksempel på et nanometal med en exceptionel styrke er tynde ståltråde, der anvendes i flygler men også som forstærkning af lastbildæk og af beholdere, der skal holde til et ekstremt højt tryk. Udgangspunktet er almindeligt stål, der gennemgår en række processer og ender med at være cirka 10 gange stærkere end udgangsmaterialet.

Strukturen er fiberagtig og er opbygget af en blanding af tynde jernfibre med en tykkelse på cirka 20 nanometer og en hård fase, der har en tykkelse på cirka en nanometer.

Selvom disse tråde har været kendt og brugt i mange år, forskes der ihærdigt i de mekanismer, der giver styrken dels med henblik på forbedringer og nye anvendelser (f.eks. i vindmøllevinger), og dels fordi trådenes usædvanlige egenskaber er en udfordring for materialeforskerne.

Metaller får nye egenskaber

Ud over den store styrke udmærker nanometaller sig med en række andre mekaniske, fysiske og kemiske egenskaber. F.eks. bryder nanometaller en af de helt grundlæggende læresætninger i den klassiske metallurgi, der siger, at metaller skal blive blødere og mere formbare, når de opvarmes, men at de bliver hårdere og mindre formbare, efterhånden som de formgives.

Nanometaller kan opføre sig modsat, så de bliver blødere, når de deformeres (f.eks. valses), og hårdere ved opvarmning. Det hænger sammen med den lille kornstørrelse, som betyder, at tætheden af korngrænser er meget større end i metaller med større korn. Det ændrer balancen mellem de processer, der foregår inde i midten af et korn, og de processer, der sker i grænsen mellem kornene.

Metallet multitasker

Typen af grænser mellem kornene har også betydning for en række egenskaber. Korngrænser er for eksempel generelt dårlige for den elektriske ledningsevne. Men en særlig type korngrænser, såkaldte tvillingegrænser, kan give både styrke og god elektrisk ledning. Det åbner muligheder for at fremstille tyndere ledninger og derved reducere materialeforbruget.

Af interesse for fremtidens energiforsyning er også, at nanometaller har større bestandighed, når de udsættes for intensiv bestråling i en atomreaktor. Derfor forskes der for eksempel i nanokrystallinsk wolfram og stål til anvendelse i fusionsreaktorer.

Nanometaller kan være ustabile

En stor udfordring for udviklingen af nanometaller er at opnå stabile korn, som ikke ændrer sig med tiden og under brug. Også i de metaller, vi bruger i dag, er der energi gemt i grænserne mellem de enkelte korn, og energien sænkes, hvis kornene vokser.

I de klassiske metaller sker dette dog kun ved høje temperaturer. I nanometaller er der meget mere energi, fordi tætheden af grænser er så høj, hvilket betyder, at de enkelte korn godt kan vokse selv ved stuetemperatur. Dette er jo særdeles uheldigt, da metallet så ikke længere er et nanometal og derved mister nanometallets særlige egenskaber.

Der forskes derfor i effekten af forskellige typer grænser og i forskellige typer netværk af grænser. Målet er at kunne identificere og modellere vækstprocesser på både lokal og global skala. Baseret på sådanne modeller vil det være muligt at designe nanometaller, der ikke ændrer struktur og egenskaber selv under langtidsbrug i en maskine, en computer eller som et implantat i et menneske.

Nanometaller havde ingen fremtid

For cirka 10 år siden var der ikke stor tiltro til at nanometaller kunne blive en god forretning. Førende forskere inden for området konkluderede, at:

1) man ikke kunne fremstille større mængder nanometal reproducerbart,

2) man ikke kunne karakterisere materialerne, og

3) at computermodellerne ikke var tilstrækkelige.

Deraf følger naturligvis, at den praktiske anvendelse af nanometaller var særdeles beskeden, men også at der var store udfordringer for forskere og ingeniører.

Udviklingen har dog taget fart. Nye resultater giver prestige, men også mulighed for fortjeneste. Computerne er blevet større og kraftigere, så man nu kan simulere opførslen af individuelle korn i nanometaller under rimeligt realistiske antagelser.

De eksperimentelle karakteriseringsteknikker bliver stadig bedre, og f.eks. er der stor fokus på og store fremskridt inden for karakterisering på nanometerskala med avanceret elektronmikroskopi og med kraftig røntgenstråling på de internationale synkrotronfaciliteter i Europa, Japan og USA.

Der er efterhånden også udviklet en række metoder til at producere nanometaller. Fremstillingen af nanometaller kan enten ske ved at behandle et metal, så dets korn deles op i mindre dele (såkaldt top-down metode) eller ved at opbygge det af små korn eller endda næsten af enkelte atomer (kaldet bottom-up metoden).

Kagerullemetoden masser plader til nanostørrelse

Ved top-down metoden starter man med et metal med en stor kornstørrelse. Når man bearbejder metallet mekanisk, brydes de enkelte korn op i mindre dele. Man kan f.eks. trække i begge ender af en metalstang, så den bliver længere – og jo længere den bliver, jo mindre dele brydes de oprindelige korn op i.

Til sidst kan man ikke længere genkende de oprindelige store korn, men har fået en ny struktur med små korn. Man kan også køre en metalplade gennem et valseværk, hvor den valses tyndere mellem to valser, lidt ligesom småkagedej bliver rullet ud med en kagerulle.

Top-down metoden er i princippet simpel, men man skal valse pladen meget for at få kornstørrelser på 100 nanometer eller mindre. Det er i praksis svært, fordi pladen bliver for tynd til at håndtere. Der er derfor opfundet forskellige måder at bearbejde metallet på, som ikke ændrer metallets facon så meget.

En mulighed er for eksempel at valse en plade én gang og så skære den i mindre stykker, som stables, før man sender stablen igennem valseværket igen. Under valsningen bliver de enkelte plader tyndere, men de kommer også til at hænge sammen, så man ender med en håndterbar plade, som man så igen kan skære op, stable og valse.

For at kunne forarbejde det fremstillede nanometal til en komponent, f.eks. til en ny hofte eller til en avanceret cykel, er det også nødvendigt at udvikle egnede smede-, svejse- og skæreprocesser.

Nanometal kan bygges fra bunden

Ved bottom-up metoden bygger man nanometallet op af mindre dele. Det kan for eksempel ske med sammenpresning af et meget fint metalpulver, hvor de enkelte partikler allerede er på nanometerskala. Under sammenpresningen omdannes pulveret til et helt stykke metal.

Ulempen ved denne metode er, at det er svært at undgå porøsiteter mellem de sammenpressede pulverpartikler. Man kan også med forskellige teknikker bygge nanometallet op af lag af atomer. Det kan for eksempel ske ved elektrolyse, hvor elektrisk ladede atomer (ioner) i opløsning samles ved en elektrode, afgiver deres ladning og sætter sig fast i et voksende korn.

Ved at ændre på opløsningens sammensætning og strømforholdene kan man styre opbygningen af metallet og dets kornstørrelse. Ved at lade strømmen komme i pulser, kan man få såkaldt tvillingedannelse i metallet, dvs. en lagdeling af de enkelte korn efter et bestemt mønster, hvor krystalgitrene i lagene er arrangeret på en bestemt måde i forhold til hinanden.

Denne metode kan give meget små kornstørrelser og tillader en høj grad af styring af den endelige struktur. Med bottomup metoder kan man fremstille superstærke, slidfaste overfladelag, f.eks. til maskindele, og stærke, meget tynde elektroniske ledere til computere og mobiltelefoner. Også her går udviklingen stærkt.

Nanometaller bliver fremtidens materiale

De nye fænomener og egenskaber placerer nanometallerne som et lovende, langtidsholdbart forsknings- og udviklingsområde. Det tager dog altid tid før nye materialer tages rigtigt i anvendelse, da der er mange ting, der skal afklares for ikke at løbe nogen risiko. Konsekvenserne af uforudsete materialeproblemer kan være store – både de menneskelige og de samfundsmæssige.

Men forskningen og udviklingen følges nøje af både metalproducenter og metalforarbejdende virksomheder. Dels fordi de ikke vil overhales af konkurrenterne, men også fordi de i deres egen forskning og udvikling har brug for ny viden om de processer og mekanismer, der styrer metallernes opførsel både på mikrometer- og nanometerskala.

Og den samfundsmæssige relevans er tydelig, mår man ser den internationale fokus på ressourcer og energiforbrug samtidig med de udfordringer, der ligger i, at jordens befolkning vokser, og at der globalt stræbes mod bedre levestandard for en stadig større befolkningsgruppe.

Lavet i samarbejde med Aktuel Naturvidenskab