Исследователи Университета Пурдью сделали удивительное открытие, - нанокристаллы металлов можно не выплавлять сложными и дорогостоящими методами, а просто собирать из отходов металлообработки. Эти материалы позволят развить многочисленные приложения в области новых электронных микросхем для компьютеров и бытовой техники, в автоиндустрии, металлообработке и защитных покрытиях, которые будут тверже, тяжелее и прочнее, чем обычные материалы из того же сырья.

Инженеры обнаружили, что желанные нанокристаллы содержатся в обычных отходах, в металлической пыли и мелкой металлической стружке, которые обычно собираются и переплавляются на многократное использование. "Вообразите, что Вы имеете все эти емкости отходов, полные металлическим ?мусором? и богатые нанокристалами, а они расплавляются как обычный металлолом", сказал Сринивасан Чандрасекар, профессор индустриальных разработок. "В некотором смысле, эти отходы могли бы быть еще более ценны, чем получение самого исходного материала, из которого они сделаны.

Нанокристаллы могут найти применение при изготовлении супертвердых и износостойких металлических деталей и покрытий. Нанокристаллы также могут быть добавлены к пластмассам и другим металлам, чтобы сделать из них новые типы сложных молекулярных структур, которые найдут свое применение от автомобилей до электроники."

Однако, существующие нанокристаллы и технологии их получения далеки от промышленного применения и слишком дороги и сложны в изготовлении. "Стоимость создания нанокристалов держится в районе 100$ за фунт, в то время как нанокристаллы некоторых металлов не могут быть сделаны вообще существующими лабораторными методами", сказал Чандрасекар и Деил Комптон, также профессор индустриальных разработок в Университете Пурдью. "Наш вклад в развитии и совершенствовании этого процесса производства нанокристалов состоит в том, чтобы сделать эти материалы в больших количествах и очень дешевыми", сказал Чандрасекар. "Стоимость наших нанокристалов, как ожидается, будет не больше, чем 1$ за фунт, плюс капитальные затраты стоимости самого вещества по массе."

Результаты исследований будут опубликованы в октябрьском выпуске журнала Journal of Materials Research, издающегося Обществом Исследований Материалов.

В настоящее время известен, например, процесс, с помощью которого можно делать нанокристаллы в исследовательских лабораториях, - это нагревание металла до пределов, пока он не начинает испаряется, а сбор нанокристалов осуществляется тогда, когда испарившиеся частицы металла сконденсируются на холодную поверхность. "Этот процесс тяжел, и если Вы хотите сделать фунт нанокристалов из нескольких сотен фунтов материала, это отнимает много времени и средств", сказал Чандрасекар. "Имеются и другие методы получения нанокристалов, но все они имеют серьезные ограничения."

Чандрасекар и Комптон обнаружили, что мелкая пыль, остающаяся от машинной обработки металлов частично или полностью сделана целиком из нанокристалов. Но она собирается обычно вместе с металлической стружкой как отходы, затем переплавляется и используется снова как сырье. А расплавление этих отходов превращает нанокристаллы снова в цельные слитки или листы металла, и ликвидирует их особые свойства высшего качества по износостойкости и твердости. Поэтому, эта мелкая стружка вместе, собранная вместе с пылью, могла бы быть сохранена и обработана для получения из нее нанокристалов и последующего их использования в качестве добавок в пластмассовые и металлические изделия или как защитные покрытия.

Металл нанокристалов, добавленный в бамперы автомобилей, сделал бы их более прочными, а при добавлении в алюминий, сделал бы листы этого металла более износостойкими. Нанокристаллы могут также использоваться для производства подшипников, срок службы которых был бы на порядок выше, чем у обычных современных типов. Покрытия из нанокристалов дадут новые типы датчиков и уменьшат размеры микросхем для компьютеров и электронных аппаратных средств.

Нанокристаллы по своим свойствам таковы, что они бывают тяжелее на 100 - 300%, чем объем тех же материалов в виде порошка. "Одно из действительно больших преимуществ этих нанокристалов состоит в том, что Вы можете смешивать их почти с любым материалом", сказал Комптон. "Вы можете делать нанокристаллы из стали, вольфрама, титановых сплавов, сплавов никеля." Инженеры измерили увеличенную твердость нанокристалов меди, инструментальной стали, нержавеющей стали, двух других типов стальных сплавов и железа. "Мы имеем много данных, которые демонстрируют, что эти материалы являются нанокристаллическими и что они повысили свои механические свойства", сказал Чандрасекар.

Тем не менее, в настоящее время, делать нанокристаллы из различных сплавов, включая сталь и другие элементы высокой температуры плавления, не представляется возможным по чисто техническим причинам - нереальности поддержания высоких температур плавления, например, для того же вольфрама. Исследователи Университета Пурдью долго искали способы обойти условия поддержания высоких температур при создании нанокристалов. И они нашли, что в момент металлообработки материала режущим инструментом на станке, за счет трения, соприкасающиеся поверхности металла и инструмента нагревались до температур, при которых как раз и наступало образование нанометаллической пыли, которая поднималась с поверхности обрабатываемого металла и, испаряясь, сразу охлаждаясь под воздействием холодных температуры помещения. Оседающая на полу пыль и есть ни что иное, как нанокристаллы диаметра 100 нанометров (для сравнения - 0,1 нанометр - это в среднем 1 атом металла).

Экспериментальное использование нанокристалов показало их эффективность при создании долговечных подшипников, типа тех, что используются для роторов вертолетов; при создании новых типов высокопрочных, облегченных композитных материалов; при создании превосходных инжекторных деталей для топливной системы дизельных двигателей; и при создании новых типов химических катализаторов.

Вскоре будут проведены дальнейшие исследования, чтобы выяснить, сохраняют ли нанокристаллы, содержащиеся в мелких отходах токарных производств, их удивительные свойства после стандартных технологических операций. Лабораторные испытания пока это подтверждают, говорят инженеры Пурдью.