Je leest:

Metallische glazen

Metallische glazen

Auteur: | 28 mei 2011

Metallische glazen zijn sterker dan staal en laten zich even gemakkelijk vervormen als zacht plastic. Volgens Jan Schroers, materiaalonderzoeker aan Yale University staan we aan de vooravond van een revolutie, vergelijkbaar met de ‘plasticsrevolutie’ in de jaren vijftig.

Flesje geblazen uit metaal
Joost van Kasteren

De wangen van materiaalonderzoeker Jan Schroers deden achteraf behoorlijk pijn, vertelt hij. Als een traditionele glasblazer had hij geprobeerd om een flesje van metaal te blazen. “Je prikt een klompje metaal aan het ene uiteinde van je blaaspijp, houdt het in de oven en blazen maar.”

Hoewel het hem inderdaad lukte om een soort van flesje te blazen, besloot hij, vanwege de pijn in zijn wangen en het tamelijk vormloze resultaat, om in het vervolg toch maar perslucht te gebruiken. “Maar het laat wel zien dat de druk die je met je longen kunt leveren – ongeveer 1 atmosfeer – voldoende is om metaal te vervormen.”

De Duitser Schroers (hij heeft een Nederlandse oma) heeft een eigen onderzoeksgroep aan Yale University in de Verenigde Staten. Daar bestudeert hij de toepassingen van ‘metallische glazen’. Het zijn bijzondere, moderne mengsels van metalen. Tot drie keer zo sterk als staal, tien keer zo sterk als aluminium. En worden ze verhit, dan smelten ze niet maar worden ze alleen zacht – handig voor de verwerking.

Krasvast

Metallische glazen worden nu al gebruikt voor krasvaste behuizingen van mobiele telefoons en dure horloges, door ze in vormen te gieten. Maar door metallische glazen te blazen zoals een glasblazer doet, is er volgens Schroers nog veel meer mogelijk. “We staan aan de vooravond van een revolutie zoals de plastic-revolutie van de jaren vijftig.”

Deze flesjes gemaakt in het lab van Schroers tonen aan dat ook met metaalblazen details zijn te verwezenlijken die we van glas kennen.
Yale University

Onlangs schreef Schroers in het wetenschappelijke tijdschrift Materials Today over het blazen van metallische glazen. Met zijn team blies hij van metaal niet alleen een rechthoekig parfumflesje (7 bij 4 bij 1 centimeter, met hals) maar ook minuscule lenzen en cilinders. Om dat soort fijne onderdelen gaat het Schroers. Hij wil ze gebruiken in zogeheten micro-elektromechanische systemen (MEMS).

Gebogen

MEMS systemen zijn constructies op microschaal die ook wel als ‘chips’ met bewegende delen worden omschreven. Een bekend voorbeeld is de chip in een airbag, die is uitgerust met een versnellingsmeter. Een ander voorbeeld is een microscopisch klein pompje voor het inwendig toedienen van medicijnen. Dergelijke inwendige pompjes worden al gebruikt voor het toedienen van onder meer pijnstillers.

MEMS worden laagje voor laagje opgebouwd met behulp van technieken uit de micro-elektronica, zoals fotolithografie en nat en droog etsen. De manier van werken maakt het lastig om gebogen oppervlakken te maken, zoals lenzen en cilinders. “Met behulp van blaasvormen zijn dergelijke gebogen structuren gemakkelijk te maken”, legt Schroers desgevraagd uit.

Hij blies onder meer een halve bol met een doorsnede van 200 micrometer (een vijfde millimeter). De maatnauwkeurigheid ligt onder de 1 micrometer en dat is volgens hem ‘behoorlijk indrukwekkend’. Het halve bolletje kan worden gebruikt als microscopische klankschaal (resonator). Omdat hij trillingen met een vaste frequentie produceert van kan hij onder meer worden gebruikt als elektronische klok, maar ook als referentie voor het verfijnen van MRI-beelden. Een andere toepassing is als gyroscoop in navigatiesystemen of als beeldstabilisator in digitale objectieven en camera’s.

Flessen

Blazen is een techniek die vooral wordt toegepast bij glas en kunststof – colaflessen worden zo gemaakt. Dat het Schroers is gelukt om ook metalen te blazen, heeft te maken met het bijzondere karakter van het materiaal. “Het zijn metalen, maar eigenlijk kun je beter spreken van een aparte klasse van materialen die bij kamertemperatuur metastabiel zijn”, zegt Jeff De Hosson, hoogleraar Technische Natuurkunde in Groningen en expert op het gebied van metallische glazen.

Metastabiel betekent dat metallische glazen zich thermodynamisch gezien in een tegennatuurlijke toestand bevinden. Gewone metalen hebben een sterk geordende kristalstructuur, die energetisch het meest gunstig is. Bij metallische glazen heb je te maken met een ongeordende, amorfe massa. Het metaal is als het ware in vloeibare vorm bevroren.

Snel koelen

De Groningse hoogleraar Jeff de Hosson.
KNAW

De eerste metallische glazen werden al in de jaren zestig van de vorige eeuw gemaakt. De Amerikaan Paul Duwez van CalTech koelde een mengsel van goud en silicium heel snel af – ongeveer ongeveer een miljoen graden per seconde. “Daar kun je niet zo veel mee”, zegt De Hosson. “Die hoge afkoelsnelheid werd bereikt door vloeibaar metaal te spuiten op een snel ronddraaiend wiel. Dat levert dunne sliertjes op van 10 tot 100 micrometer (eenduizendste millimeter) dik. Ze zijn heel sterk, maar ook erg bros.”

Pas in de jaren negentig slaagden Japanse en Amerikaanse onderzoekers om metallische glazen te maken door uit te gaan van mengsels van vier of meer elementen. Een veelgebruikt mengsel bestaat bijvoorbeeld uit zirconium, titanium, koper, nikkel en beryllium in een atoomverhouding van 44 – 11 – 10 – 10 – 25. De Hosson: “Als je veel atomen van verschillende grootte hebt, frustreer je de kristalvorming. Je moet nog steeds koelen, maar veel minder snel; iets in de orde van 10 graden per seconde. Omdat je niet zo snel hoeft te koelen kun je bovendien objecten maken die wel enkele centimeters dik zijn.”

Sterk

De dure horlogekasten die zo worden gemaakt, hebben een grote ‘treksterkte’. In materiaalkundige termen betekent dat, dat er veel kracht nodig is om ze – bij kamertemperatuur – plastisch te vervormen. Ze gaan dus niet snel kapot op een trekbank. Dat heeft vooral te maken met hun ongeordende structuur met meerdere atoomsoorten door elkaar. Diezelfde ongeordende structuur maakt dat ze bij verwarmen niet meteen smelten, maar kneedbaar worden. Bij relatief lage temperaturen van rond te 400 graden Celsius zijn ze al te verwerken. Voor staal ligt die temperatuur ruim twee keer zo hoog, rond de 900 tot 1100 graden. Zo kun je ze met behulp van spuitgieten als pudding in een vorm persen.

Allerlei componenten (nano-vormpjes, nanodraden, tandwielen, membranen, scalpels en pincetten) vervaardigd uit metaalglas. De lengteschaal varieert in deze afbeeldingen van 13 nanometer tot meerdere millimeters.
Kumar/Schroers | Yale University

Bros

De keerzijde van de hoge treksterkte is dat metallische glazen vrij snel kunnen scheuren. Hun breuktaaiheid, dat wil zeggen hun weerstand tegen scheurgroei is laag. In dat opzicht lijken ze wel wat op keramische materialen De Hosson doet in Groningen onderzoek naar dit verschijnsel. “De relatief grote ruimten tussen de atomen kunnen bij een te grote uitwendige belasting uitgroeien tot een scheur, die vervolgens kan leiden tot materiaalbreuk.” De kans op het ontstaan van een scheur of breuk is afhankelijk van de dikte van het materiaal. Hoe dikker, hoe groter de kans op de aanwezigheid van defecten die uit kunnen groeien tot een scheur.

Volgens Schroers doet het probleem zich vooral voor bij materialen die dikker zijn dan een millimeter. “Voor de meeste toepassingen waar we aan denken is dat geen probleem”, mailt hij. “Bovendien kun je materialen toevoegen die scheurvorming tegengaan.” Zulke composietmaterialen van bijvoorbeeld metallisch glas met tantalum zijn al enkele jaren beschikbaar. Ook de horlogekasten zijn gemaakt van composietmaterialen.

Op bijgevoegde microscopische opname is te zien hoe een dun pilaartje met een doorsnede van 185 nanometer wordt gebogen zonder dat het onmiddellijk breekt (foto d).

Nano

Volgens De Hosson lenen metallische glazen zich prima voor nóg kleinere structuren: op nanoschaal. “Misschien nog beter dan op microniveau”, zegt hij. Recent onderzoek in zijn groep laat zien dat scheurvorming afhankelijk is van de dikte van het materiaal (Acta Materialia, 2010). “Bij dimensies kleiner dan 200 nanometer (1 nanometer is een miljoenste millimeter) wordt de voortplanting van eventuele scheurtjes afgeremd door kleine defecten in het materiaal.” Mogelijke toepassingen zijn de ontwikkeling van nog kleinere elektromechanische systemen (NEMS) en van dunne deklagen die niet alleen water- en vuilafstotend zijn maar ook nog eens zeer slijtvast.

Dit artikel werd eerder gepubliceerd in NRC Handelsblad van 28 mei 2011.

Dit artikel is een publicatie van Joost van Kasteren.
© Joost van Kasteren, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 mei 2011
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.