物理学：研究揭示了氧气如何像氪石到钛！
加利福尼亚大学伯克利分校的科学家们已经发现了这样一种机制，即钛具有高强度重量比和天然抗腐蚀性，只需几个额外的氧原子即可变脆。
这项发现在2月6日出版的“科学”杂志上有所描述，它有可能为更广泛的应用领域中更实用，更具成本效益的钛的使用打开大门。流行的银灰色金属已经可以在高端自行车，笔记本电脑和人体植入物等产品中找到。但是很难获得具有低氧含量的高品位钛，并且净化金属的费用阻碍了其在建筑，汽车和航空航天工业中的广泛应用。
“如果能够以保持其最佳性能的方式加工钛，但成本与铝相当，那么你会发现它可用于汽车，卡车，飞机和船舶，”研究资深作者Andrew Minor说，他是材料科学和材料科学副教授。劳伦斯伯克利国家实验室的工程和教师科学家。“钛的高耐腐蚀性和优异的特性非常具有吸引力，并且降低铝的成本将使得使用这种材料变得简单。”
Minor领导了一个材料科学与工程系的研究团队，专注于解决冶金中长期存在的神秘问题，即氧气如何导致金属特性发生如此深刻的变化。
“氧气就像钛的毒药一样，”Minor说。“随着氧气的增加，材料越来越硬，越容易受到裂缝的影响，这些材料对于结构材料来说是不可取的。”
良好的结构材料将具有延展性的适当平衡 - 响应于应力和强度而弯曲的能力。Minor指出，玻璃坚固而坚硬，但不具有延展性，这就是为什么这种材料不用于制造车辆或桥梁的原因。
Minor补充说，虽然许多金属有可能变得脆弱，但钛对元素的微小部分特别敏感。3级钛只有0.3％的氧气，但它的硬度是1级钛的三分之一，即0.1％的氧气。研究作者说，了解氧气如何硬化钛提供了研究过程控制的目标。
研究人员对各种等级的钛样品进行了纳米压缩测试，并使用先进的透射电子显微镜技术和缺陷结构的量子力学预测检查了所产生的影响。他们发现，氧与晶体缺陷（称为位错）之间的相互作用是钛的特征，这是材料硬化的关键。
研究人员发现，氧原子在钛路中发现的螺旋形状位错的作用就像颠簸一样。研究报告的共同作者，材料科学与工程教授Daryl Chrzan领导了该项目的理论工作，他说：“随着位错突然出现以及这些原子碰撞产生的机械改组产生了更多错位的多米诺骨牌效应。”研究人员发现，随着氧气的增加，钛变得更难弯曲，因此更容易开裂。
通过弯曲纸夹直至其断裂，可以看到类似的效果。金属弯曲越多，位错的数量越多。位错会干扰其他缺陷的运动，使纸夹更难弯曲。最终，位错的数量如此之高，以至于纸夹不再弯曲，而是断裂。
“现在我们知道廉价钛中发现的氧气会导致材料硬化，我们可以努力找出一种方法来处理它，将氧原子移动到不会引起问题的地方，”研究报告的共同作者，材料科学与工程教授Mark Asta。
Minor指出，这已经在半导体工业中完成，因为氧和其他杂质也会损害硅基微处理器。