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- 대부분의 재료는 온도가 증가함에 따라 부서지기 쉽고, 유연성이 감소, ​​쉽게 찢어진다.
- 크롬, 코발트 및 니켈(CrCoNi)로 만든 소위 고엔트로피 합금(HEA), 자온에서 더 안정적
- "액체 헬륨 온도에서도 재료의 강도는 미터의 제곱근에 대해 약 500MPA"
- 격자 결함(재료의 규칙적인 기본 구조의 교란)이 중요한 역할
- 액체 수소의 수송, 항공 우주 산업에 유용

이것이 세상에서 가장 단단한 물질일까?
금속 합금은 극한의 추위에서 더욱 강해지고 균열에 강하다.

비정상적으로 강함:
크롬, 코발트 및 니켈의 단순한 합금은 매우 낮은 온도에서도 매우 강하다. 영하 253도의 액체 헬륨에서도 이 금속 합금은 부서지기 쉽지 않지만 실제로 "Science"에서 연구원들이 보고한 것처럼 냉각됨에 따라 저항력이 더 강해진다. 이 물질은 결정 격자의 세 가지 연속적인 변화로 인해 이러한 특이한 능력을 발휘한다. 

▲ 이 크롬-코발트-니켈 합금은 영하 253도에서도 깨지지 않눈다. 그들의 특별한 결정 구조는 나노 균열의 전파를 막는다. © Robert Ritchie/Berkeley Lab

다이아몬드, 경화 특수강 또는 특수 탄소 화합물:

재료가 얼마나 강하고 단단한지는 결정(結晶)구조에 따라 정해진다. 원자 사이의 결합이 가능한 한 압력을 견디는 동시에 균열의 전파를 방지하는 방식으로 설계되어야 한다. "구조 재료는 단단해야 하지만 유연하고 균열에 강해야 한다"고 공동 저자인 Oak Ridge National Laboratory의 Easo George는 설명한다. "일반적으로 이러한 속성 간에 절충해야 한다." 대부분의 재료는 온도가 증가함에 따라 부서지기 쉬워진다. 유연성이 감소하고 더 ​​쉽게 부서지고 찢어진다.

저온 테스트에서 높은 엔트로피 합금

그러나 최근 브리스톨 대학(University of Bristol)의 제1 저자인 George(Dong Liu)와 동료들은 매우 단단할 뿐만 아니라 동시에 균열에 강한 재료를 확인했다. 이 재료는 초저온에서 훨씬 더 안정적이다. 크롬, 코발트 및 니켈(CrCoNi)로 만든 소위 고엔트로피 합금(HEA)이다. 이러한 합금에서 개별 금속은 거의 동일한 비율로 포함된다. 이것은 그것들을 동시에 단단하고 격자 구조를 제공한다.

CrCoNi 합금은 오랫동안 높은 강도로 알려져 왔다. 그러나 이것이 냉각 중에 도달하는 거리와 그 기반이 무엇인지 류(Liu)와 그의 동료들은 이제 처음으로 자세히 조사했다. 이를 위해 그들은 금속 합금 샘플을 섭씨 영하 253도인 20켈빈까지 냉각하고 X선 회절, 전자 후방 산란 및 투과 전자 현미경을 사용해 결정 격자의 강도, 균열 안정성 및 변화를 조사했다.

영하 253도에서도 매우 강한

그 결과는 놀라웠다. 절대 영도에 가까운 온도로 극단적으로 냉각하는 동안에도 금속 합금은 깨지지 않고 극도로 단단했다. "액체 헬륨 온도에서도 재료의 강도는 미터의 제곱근에 대해 약 500메가파스칼이다"고 Lawrence Berkeley National Laboratory의 수석 저자인 Robert Ritchie는 보고한다. "비교하자면 실리콘의 강도는 1이고 항공기 알루미늄의 강도는 35이며 가장 단단한 강철 중 일부는 100에 이른다.“

▲ 실온 및 20켈빈에서 CrCoNi 합금의 미세 구조. © Robert Ritchie/Berkeley Lab

따라서 이 크롬-코발트-니켈 합금은 지금까지 측정된 것 중 가장 높은 강도 중 하나를 달성한다. 동시에 측정 결과 이 ​​물질이 차가워질수록 점점 더 안정해진다는 사실이 확인되었다. 극단적인 냉각 상태에서도 균열이 나타나지 않았으며 이전에 의도적으로 생성된 균열이 더 이상 전파되지 않았다. 연구원들은 "균열에 대한 내성이 꾸준히 증가하는 것은 극히 드문 일"이라고 설명했다. "극저온 구조 재료 중에서 크롬, 코발트 및 니켈, 특히 CrCoNi의 고엔트로피 합금은 독특한 것으로 보인다.“

무엇 때문일까?

무엇이 이 금속 합금에 비정상적으로 높은 내구성을 부여할까? 그들의 결정 격자는 실제로 매우 단순하며 언뜻 보기에는 특별한 특징을 나타내지 않는다. "CrCoNi의 구조는 상상할 수 있는 가장 단순한 구조다. 기본적으로 과립이다"고 Ritchie는 말한다. "그러나 재료를 변형하면 매우 복잡해지며 이러한 변화가 파손에 대한 탁월한 저항에 기여한다.“

특히, 연구팀은 합금이 결정 격자에서 특수한 안정화 프로세스 시퀀스에 특별한 안정성을 부여한다는 사실을 발견했다. 여기에서 격자 결함(재료의 규칙적인 기본 구조의 교란)이 중요한 역할을 한다. 이러한 결함은 재료가 구부러지는 것을 방지하여 재료를 더 단단하게 만들지만 동시에 균열을 촉진할 수 있다.

세 가지 메커니즘의 계승

CrCoNi 합금을 사용하면 압력 증가에 따라 발생하는 결정 격자의 세 가지 다른 변화로 후자를 방지할 수 있다. 첫 번째 요소는 결함에도 불구하고 격자가 서로 평행하게 이동할 수 있는 능력이다. 두 번째 메커니즘은 소위 나노 이중결정이다. 그리드는 양쪽이 완벽한 거울 이미지를 형성하는 방식으로 기존 인터페이스를 따라 배열된다.

금속에 가해지는 압력이 계속되면 세 번째 메커니즘이 작용한다. 가장 작은 기본 단위인 결정 격자의 기본 셀이 모양을 변경한다. 이전의 면심 입방 격자(fcc)는 특히 조밀한 원자 배열을 가진 육각형 결정 시스템이 된다. Ritchie는 "이러한 프로세스는 근본적으로 새로운 것은 아니지만 이 순서대로 순차적으로 발생한다는 사실은 재료에 진정으로 엄청난 특성을 부여하는 것이다"고 말했다.

수소 수송과도 관련

연구진에 따르면 이러한 새로운 발견은 고엔트로피 합금의 거동을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 새롭고 매우 단단하며 안정적인 금속 합금을 개발하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어 이것은 극도로 냉각되어야 하는 액체 수소의 수송에 유용할 것이다. 따라서 액체 수소용 탱크는 초저온에서도 깨지지 않아야 한다.

항공우주 산업은 극한의 추위를 견디고 이러한 조건에서도 안정적으로 유지될 수 있는 금속도 필요하다. 니켈과 코발트도 배터리 생산을 위해 전 세계적으로 수요가 있기 때문에 Liu와 그의 동료들은 이미 이러한 금속 없이도 가능한 높은 엔트로피 합금을 찾고 있다.
(Science, 2022; doi:10.1126/science.abp8070)
출처:Science, Lawrence Berkeley National Laboratory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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