Hogy készül a műanyaggal "ötvözött" arany?

Raffaele Mezzenga, az intézmény Élelmiszer- és Lágyanyag-kutatási terület professzora kollégáival közösen alkotta meg a speciális összetételű aranyat. Az anyag a hagyományos tizennyolc karátos arany tizenöt gramm/köbcentiméter sűrűség helyett mindössze alig 1,7 gramm/köbcentiméter sűrűségű, mégis valódi tizennyolc karátos aranynak számít. A kutatók találmányukhoz ötvöző fém helyett fehérjeszálak és polimer latex keverékét választották hordozóanyagként, míg a felhasznált aranyat nanoméretű lapocskák jelentik.

Kísérletük során az összetevőket először elkeverték vízzel, majd sót adtak hozzá, amitől az anyag állaga zselésre váltott. Ezután alkoholra cserélték a vizet, majd nagy nyomást biztosító, magas szén-dioxid koncentrációjú kamrába helyezték a zselét. A nyomás csökkentése során az alkohol elvegyült a szén-dioxiddal, hamarosan pedig létrejött egy homogén, könnyű habszerkezetű anyag, ami további hőkezeléssel tömöríthető és tetszőleges alakúra formálható. Az eljárással az anyag megőrzi tizennyolc karátos értékét, mégis sokkal könnyebb lesz.

Ha feldobod arany, ha leesik műanyag

"Ha kemény felületre leejtik, a hangja nem fémes, hanem pont olyan, mint a műanyagoké.” - mondja Mezzenga.

Hozzátette: ha az aranyat nem lapocskák, hanem gömböcskék formájában keverik az elegyhez a gyártás során, akkor a végeredmény hagyományos aranyszín helyett ibolyás árnyalat lesz. Vagyis eljárásuk segítségével lényegében bármilyen tulajdonságú aranyat előállíthatnak. Mindennek pedig nemcsak az ékszeripar veheti hasznát, hanem csaknem minden olyan terület, ahol bármilyen formában használnak aranyat, így az elektronikai ipar, kémiai katalizátorok, vagy épp sugárzásvédők gyártói.

Az ötvözet, ami legyőzheti az edzett acélt

Már ami a kopásállóságot illeti, ugyanis nem a svájciak az egyetlenek, akik a jövő legellenállóbb fémötvözeteinek kifejlesztésén munkálkodnak. A Sandia National Laboratories munkatársai új platina-arany ötvözete elképzeléseik szerint százszor ellenállóbb az edzett acélnál; amennyiben ez megvalósul, az anyag a zafír és a gyémánt mellett helyet kaphat a világ legellenállóbb anyagai között. Szemléltetésképp mielőtt kopásnak indulna, egy autó ötszázszor körbecsúszhatna a Föld körül az új ötvözetből készült kerekeken. Nic Argibay, a kutatás társszerzője nagy reményeket fűz felfedezésükhöz:

"Sikerült kimutatnunk egy változást, amivel bizonyos ötvözeteknél (lényegében bármelyik valódi fémhez viszonyítva) elképesztő teljesítménybeli növekedést tapasztalhatunk."

Az ugyebár nem újdonság, hogy hacsak nem látják el őket egyfajta védőréteggel -mondjuk motorok esetében motorolajjal -, akkor a fémek ellenállása folyamatosan csökken, így azok elkopnak, deformálódnak, valahányszor más fémekhez súrlódnak. A fémek közötti fizikai érintkezésnek az elektronikában is fontos szerepet tulajdonítanak, és többnyire arany vagy más nemesfém-bevonattal késleltetik a kopást. Száz százalékos védelmet viszont ez sem jelent, ráadásul a bevonatok sem kifejezetten olcsók. További probléma az alkatrészek mérete, hiszen minél kisebbek, már annál kisebb mértékű kopás is gondot okozhat.

Az új, szupertartós platina-arany ötvözet bevonatként történő alkalmazása ellenben feltalálói számításai alapján akár százmillió dollár anyagköltséget megspórolhat az elektronikai iparnak, emellett az elektronikai eszközök készítését is költséghatékonyabbá teheti. Utóbbiból pedig számos iparág profitálhat.

“A kopásnak ilyen nagy mértékben ellenálló anyagok megbízható, tartós előnyöket jelenthetnek az általunk vizsgált eszközök széles körében." - mondja Chris Nordquist, mérnök. Hozzátette: “Az integráció és a fejlesztés lehetőségei eszközfüggőek, az ötvözet azonban merőben új módszert jelent a mikroelektronikai fémalkatrészek alkalmazásánál."

Nordquist és csapata korábban úgy vélték, hogy egy fém kopással szembeni ellenállása kizárólag az anyag keménységétől függ, a mostani elmélet szerint viszont a kopás sokkal inkább attól, mit történik a fémmel melegítés hatására. A fémek többsége a szélsőséges terhelés és hőmérséklet hatására meglágyul, ám az új ötvözet kiváló mechanikai és termikus stabilitású, így mikrostruktúrái még nagy terhelésű, folyamatos súrlódás hatására sem változtak meg számottevően.

Ötvözetük leginkább a platinára hasonlít, míg súlya valamivel nagyobb a tiszta aranyénál. A legfontosabb tulajdonsága mégis az, hogy más platina-arany ötvözetekhez képest sokkal jobban ellenáll a hőnek és a kopásnak. A mérnökök számítástechnikai modelleket is bevetettek kísérletükhöz, hogy megvizsgálják, milyen hatással vannak az egyes atomok egy-egy anyag tulajdonságaira. (Bár ezt pusztán megfigyeléses úton nehéz megmondani.) Kiderült, hogy egy további meglepetés még mindig várt rájuk;

a vizsgálat közben az ötvözeten fokozatosan kialakuló, fekete filmrétegről megállapították, hogy az valójában a szén egy gyémánthoz hasonló módosulata. Magyarán ha úgy tetszik, az ötvözet reprodukálta saját kenőanyagát annak ellenére, hogy a hasonló képződményekhez általában különleges környezet szükséges.

“Úgy véljük, hogy a a stabilitás és a kopással szembeni ellenállás következtében szénmolekulák tapadhatnak az anyagra környezetéből, melyek a csúszások során degradálódnak, majd létrehoznak egy gyémántszerű szénmódosulatot.” - mondja John Curry, a tanulmány vezető szerzője. Továbbá kiemelte, hogy az iparnak megvannak a maga módszerei erre, de azok általában vákuumkamrákat és magas hőmérsékletű szénplazmát igényelnek, ezért sokba kerülnek. Összességében a jelenség felfedezése még csak a kezdet, hiszen ha a jövőben felhasználják, még több jó tulajdonságára fény derülhet, nem mellesleg egy költséghatékonyabb gyártási módszer kifejlesztését eredményezheti.

Fotó: Pixabay, ETH Zürich, Sandia National Laboratories