Modellering van de mengingsenthalpie voor de ontwikkeling van nieuwe 'bulk metallic glasses' (BMG)

COMPUTERZOEKTOCHT NAAR EEN WAARDIG ALTERNATIEF VOOR STAAL

De Burj Khalifa is sinds 21 juli 2007 het hoogste gebouw ter wereld. Voor de constructie van de 828 meter hoge wolkenkrabber uit Dubai was maar liefst 31 400 ton staal nodig. Daarmee lijkt de limiet van het materiaal echter bereikt te zijn. Doordat zo'n groot volume nodig is, is de bouw van nog hogere torens niet meer rendabel. De plaats die door het staal ingenomen wordt, kan immers niet benut worden voor andere doeleinden. In de toekomst geniet het gebruik van slimme en efficiëntere materialen dan ook meer dan ooit de voorkeur. Kurt Lejaeghere beschrijft in zijn thesis hoe men de toenemende computerkracht kan inzetten om het onderzoek naar BMG's, een veelbelovende materiaalklasse, te stimuleren.

In onze maatschappij van vandaag zijn staal en andere ijzerhoudende metalen niet weg te denken. Ze combineren een goede sterkte met een relatief lage prijs. Toch dwingen zowel economische drijfveren als nieuwe wetenschappelijke inzichten ons naar steeds betere alternatieven uit te kijken. Momenteel is een experimentele zoektocht daarbij vaak de enige optie. Dit kost echter veel tijd, en ook de sterk gestegen grondstofprijzen doen de zaak geen goed. Door op voorhand met behulp van een computer de meest geschikte kandidaten te selecteren, kan men dit proces optimaliseren.

Eén specifieke materiaalklasse belooft in de toekomst een alternatief voor staal te leveren. BMG's of Bulk Metallic Glasses worden gekenmerkt door een grote sterkte, minstens even groot als bij de beste staalsoorten. Bovendien zijn ze bijna even elastisch als plastic. Dit alles hebben BMG's te danken aan hun bizarre structuur. Hoewel ze dezelfde samenstelling hebben als gewone metalen, is de bouw gelijkaardig aan die van glas. Metalen zoals ijzer of koper zijn kristallijn. Dat wil zeggen dat ze inwendig volgens een perfect rooster opgebouwd zijn. Men kan dit vergelijken met een driedimensionale bijenraat, waar atomen de hoekpunten van elke cel bezetten. Metallische glazen bezitten daarentegen een wanordelijke structuur. Van de analoge bijenraat is nu geen sprake: elke cel ziet er anders uit en de atomen zijn als het ware op een hoopje gegooid.  Men kan die wanorde bekomen door het gesmolten mengsel erg snel af te koelen. Zo bevriest men de atomen op hun vloeistofposities en vermijdt men kristalvorming. Deze opbouw is erg efficiënt gestapeld en pint onvolkomenheden en schade vast, met een uitzonderlijke sterkte tot gevolg. Een klein volume levert dan dezelfde duurzaamheid als een grotere hoeveelheid staal.

In het kader van zijn scriptie bestudeerde Kurt Lejaeghere metalen bestaande uit ijzer en molybdeen. Molybdeen is een zilvergrijs element dat vaak gebruikt wordt om staal sterker en roestbestendiger te maken. Deze techniek werd onder andere toegepast bij de bouw van het Duitse kanon 'Dikke Bertha'.

Het afstudeerwerk, uitgevoerd onder het promotorschap van prof. dr. ir. Veronique Van Speybroeck (faculteit Ingenieurswetenschappen) en dr. Stefaan Cottenier (faculteit Wetenschappen), beiden verbonden aan het Centrum voor Moleculaire Modellering van de Universiteit Gent, focust zich in het bijzonder op de mengingsenthalpie. Deze grootheid is de nodige warmte om de zuivere (kristallijne) bestanddelen in een ongeordend mengsel om te zetten. In de praktijk blijkt het een goede indicator om te voorspellen hoe gemakkelijk een bepaalde samenstelling een glasachtige structuur aanneemt. Hoe kleiner die mengingsenthalpie, hoe minder moeite dat zal kosten. Hoewel de mengingsenthalpie een eigenschap van ongeordende mengsels is, kan men haar toch via simulaties van welgekozen, geordende kristallen bepalen. Voor elke simulatie dient men eerst de opbouw van het materiaal in kwestie in de computer in te geven. Deze informatie wordt dan aan een kwantummechanisch programma 'gevoerd'. Met behulp van een techniek genaamd DFT of dichtheidsfunctionaaltheorie levert de software zonder enig vooroordeel een accurate benadering voor de energie.

Wanneer men alle nodige kristallen gesimuleerd heeft, kan men zonder veel omwegen de mengingsenthalpie bepalen. Daarbij schuilt echter nog één addertje onder het gras. Kwantummechanica beschrijft over het algemeen de situatie bij het absolute nulpunt. Dit is de laagst mogelijke temperatuur, -273° C, en geen enkele techniek laat toe deze ondergrens te doorbreken. Wanneer we naar hogere temperaturen kijken – voor dagelijkse toepassingen is informatie bij -273° C niet nuttig – treden twee verschillende effecten op, die het uiteindelijke resultaat beïnvloeden.

Warmte zorgt voor beweging. Het zorgt er onder andere voor dat de ionen rond hun roosterposities gaan trillen. Hier zijn die ionen atomen met een positieve lading: een deel van hun (negatieve) elektronen is uitgesmeerd over het kristal. Men kan deze vibraties eenvoudig beschrijven via de structuurafhankelijke Debyetemperatuur. Deze parameter laat toe om aan de hand van relatief eenvoudige formules de trillingsenergie te schatten.

Niet alleen de ionen ondervinden invloed van de temperatuur. Ook de elektronen nemen een deel van de warmte op en bezetten daardoor een hogere energietoestand. Een metaal is immers te beschouwen als een ionenrooster, ondergedompeld in een zee van elektronen. Die elektronen kunnen verschillende energieën aannemen, maar de opsluiting in de regelmatige structuur beperkt het maximaal aantal elektronen in één toestand. Zo is het mogelijk dat tot vijf elektronen een energie A kunnen bezitten, terwijl men bij een energie B hoogstens één elektron terugvindt. Bovendien zijn energierijke toestanden vaak leeg. Door warmte toe te voegen is het dan mogelijk dat een elektron genoeg energie opneemt om de sprong naar een hoger niveau te wagen. Dit noemt men een excitatie. Wanneer men de energie van een kristal bij hogere temperaturen wil beschouwen, moet men dus ook rekening houden met elektronexcitaties, aangezien die een deel van de warmte in kristalenergie omzetten.

De scriptie toont aan dat deze procedure toelaat succesvol mengingsenthalpieën te voorspellen. De resultaten komen overeen met waarnemingen in de natuur en experimenten. Zo vindt men dat het mengen van ijzer en molybdeen bij erg lage temperaturen niet zal lukken, maar dat het steeds gemakkelijker wordt een beetje molybdeen in ijzer op te lossen naarmate men warmte toevoegt. Voor BMG's betekent dit dan dat het mogelijk is een metallisch glas te bekomen met ijzer en molybdeen, zolang de hoeveelheid molybdeen niet te groot wordt. Door de methode toe te passen op allerlei combinaties van elementen, krijgt men dus een beter idee waar men de beste glasvormers terugvindt. En dit zonder uitgebreid experimenteren, wat de kosten sterk drukt. Wie weet maken BMG's het ooit mogelijk een nieuwe Burj Khalifa te bouwen, hoger dan het origineel en toch zowel solide als economisch rendabel.