В эксперименте на космической станции случайно получили новый материал
Экспериментируя с расплавом металлов в условиях микрогравитации, тайконавты случайно получили новый материал, который не должен был образоваться — интерметаллид меди и висмута. Его нашли уже на Земле, изучая доставленные с орбиты образцы. Статья об открытии вышла в Journal of Applied Physics.
«Обнаружение интерметаллида Cu₂₀Bi₉ стало для нас полной неожиданностью. Изначально мы планировали с помощью космического эксперимента по затвердеванию сплава Cu₇₅Sn₁₃Bi₁₂ изучить кинетику жидкофазного распада и эволюцию микроструктуры при застывании в условиях микрогравитации», — говорит физик-материаловед Се Вэньцзюнь из Северо-Западного политехнического университета, руководивший исследованием.
Подобно маслу и воде, в жидком состоянии висмут с медью почти невозможно смешать — разве что при экстремальном давлении.
«Нас это соединение особенно заинтересовало потому, что в бинарной системе Cu–Bi при обычном давлении интерметаллических фаз вообще нет, а все известные до сих пор интерметаллиды Cu–Bi были получены только под высоким давлением», — объясняет Се.
Примечательно, что случайное достижение китайских астронавтов оказалось воспроизводимым на Земле. Это исключает версию, что Cu₂₀Bi₉ — уникальный продукт микрогравитации. Хотя она, скорее всего, сыграла свою роль, изменив динамику застывания. На орбите конвекция, вызванная силой Архимеда, значительно ослаблена — жидкость не поднимается и не опускается, как на Земле под действием гравитации. В несмешивающихся системах, подобных Cu₇₅Sn₁₃Bi₁₂, подавление конвекции меняет скорость и характер фазового разделения и кристаллизации. Получающиеся микроструктуры могут быть более «чистыми» и удобными для анализа методами просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, что, видимо, и позволило обнаружить фазу, которая присутствует в образцах, но трудно выявляема при изучении земных материалов.
Каждая ячейка считавшегося невозможным соединения содержит 80 атомов меди и 36 атомов висмута и, по словам Се, «напоминает квадратную коробку для конфет». С помощью моделей ученые показали, что материал отличается высокой стабильностью — смещения отдельных атомов в решетке крайне незначительны.
Сейчас авторы изучают, как именно образуется Cu₂₀Bi₉ и почему это возможно, судя по всему, только в расплаве такого состава. Предполагается, что олово может играть в реакции роль «посредника».
О практическом применении открытия речи пока не идет. Теоретически оно может быть весьма широким — интерметаллиды висмута могут быть полезны в разработке бессвинцовых припоев, термоэлектрическом преобразовании энергии, исследованиях топологических изоляторов и много где еще.
