Atomare Engineering ermöglicht neue Legierungen, die bei extremen Kältebedingungen nicht brechen werden.

12. September 2025 Bericht

von Paul Arnold, Phys.org

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herausgegeben von Lisa Lock, überprüft von Robert Egan

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Die Navigation in der extremen Kälte des Weltraums oder der Umgang mit supergekühlten Flüssigbrennstoffen hier auf der Erde erfordert Materialien, die nicht brechen. Die meisten Metalle werden bei solch niedrigen Temperaturen spröde und brechen. Neue Forschungen entwickeln jedoch einen Ansatz zum Aufbau von Metallstrukturen Atom für Atom, um strapazierfähige und langlebige Legierungen zu schaffen, die solchen extremen Umgebungen standhalten können.

Traditionelle Festigungsansätze sind für diese Anwendungen häufig nicht ausreichend. Beispielsweise stärkt eine gängige Wärmebehandlungstechnik namens Ausscheidungshärtung Metalle, indem winzige harte Partikel in ihrer Struktur erzeugt werden. Aber bei extremen Temperaturen können die Materialien ihre Verformbarkeit (die Fähigkeit, sich zu biegen, zu strecken oder in eine neue Form zu bringen, ohne zu brechen) verlieren und plötzlich brechen.

Eine in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Studie beschreibt einen neuen Weg, Metalllegierungen so zu gestalten, dass sie auch bei extrem niedrigen Temperaturen stark und widerstandsfähig bleiben. Die große Idee besteht darin, eine Legierung mit zwei verschiedenen Arten von perfekt angeordneten atomaren Strukturen in ihrem Inneren zu schaffen. Diese Strukturen werden Subnanoskala-Kurzreichweitige Ordnung (SRO) genannt, kleine Inseln organisierter Atome, und Nanoskala-Langreichweitige Ordnung (NLRO), die etwas größer sind.

Die Forscher haben ihre Legierung mit einem kontrollierten Prozess der Wärmebehandlung und mechanischen Formgebung erzeugt, wodurch die atomaren Strukturen sich selbst zusammenfügten. Mit anderen Worten, die Wissenschaftler schufen die Bedingungen, unter denen sich die Atome in die gewünschte Struktur anordnen konnten.

Das Ergebnis war eine neue Kobalt-Nickel-Vanadium-Legierung, die auch bei Temperaturen von bis zu -186°C (87 K) außergewöhnlich stark und widerstandsfähig ist. Sie wurde im Labor bei extrem niedrigen Temperaturen gezogen und gestreckt, um zu sehen, wie viel Stress sie bewältigen konnte.

'Unsere Ergebnisse unterstreichen die Auswirkungen der dualen koexistierenden chemischen Ordnung auf die mechanischen Eigenschaften von komplexen Legierungen und bieten Richtlinien zur Kontrolle dieser Ordnungszustände, um ihre mechanische Leistungsfähigkeit für kryogene Anwendungen zu verbessern,' schrieb einer der Autoren der Studie, Shan-Tung Tu.

Mit ihrer außergewöhnlichen Festigkeit und Haltbarkeit, insbesondere unter extrem kalten Bedingungen, könnte die Legierung zahlreiche praktische Anwendungen haben. Bei der Erforschung des Weltraums könnte sie zur Herstellung robusterer Raumfahrzeuge verwendet werden, die die extrem niedrigen Temperaturen des Weltraums bewältigen können. Im Energiesektor könnte die Legierung eine sicherere und zuverlässigere Infrastruktur schaffen, wie z. B. Rohrleitungen und Tanks für verflüssigtes Erdgas.

Die Forscher sind außerdem der Meinung, dass ihr Ansatz des Ingenieurwesens auf atomarer Ebene auf andere Arten von Legierungen angewendet werden könnte. Dies könnte zur Entwicklung einer völlig neuen Generation von Materialien führen, die den härtesten Kältebedingungen standhalten, ohne die Leistung oder Sicherheit zu beeinträchtigen.

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Weitere Informationen: Tiwen Lu et al, Dual-scale chemical ordering for cryogenic properties in CoNiV-based alloys, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09458-1

Designing an alloy microstructure atom by atom to withstand extreme cold, Nature (2025). DOI: 10.1038/d41586-025-02864-5

Journal Informationen: Nature

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