Ученые превратили яичную скорлупу в легкий металл, используя только трение

Фото из открытых источников

Треснувшая яичная скорлупа обычно оказывается в мусорном ведре, но исследователи смогли заключить её в стержень из магния, лёгкого металла, не расплавляя его. В ходе небольших испытаний полученный материал лучше выдерживал сжатие, чем обычный магний, изготовленный тем же способом.

Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории измельчили обычную бытовую яичную скорлупу в порошок, заполнили им канавки, вырезанные в магниевом стержне, и прижали стержень к вращающемуся инструменту. Трение и давление создали тепло, которое сплавило порошок и металл в один твердый стержень. Результаты опубликованы в Journal of Magnesium and Alloys.

Под микроскопом основной минерал яичной скорлупы, карбонат кальция, тот же самый, что содержится в меле и известняке, не оставался пассивно в металле, как гравий в бетоне. Большая его часть раскололась, и, по-видимому, часть вступила в реакцию с магнием, с которым соприкоснулась, — химическая связь, которая может объяснить увеличение прочности.

Традиционная переработка металлов обычно подразумевает плавку и переплавку, что требует больших затрат энергии и может привести к деградации материала. Яичная скорлупа накапливается в виде бытовых и сельскохозяйственных отходов, и авторы отмечают, что утилизация больших объемов может создавать угрозу для окружающей среды.

Яичная скорлупа примерно на 95-97 процентов состоит из карбоната кальция, твердого минерала, что делает этот порошок подходящим для упрочнения металла подобно тому, как стекловолокно упрочняет пластик. Магний подходит для эксперимента, поскольку это металл с низкой плотностью, который нужен инженерам везде, где дополнительный вес обходится дорого. В более ранних работах яичная скорлупа смешивалась с расплавленными магниевыми сплавами, но мало что было известно о химических процессах, происходящих при вдавливании яичной скорлупы в магний методом экструзии трением — процесса, при котором нагретый металл продавливается через вращающуюся матрицу, подобно тому, как зубная паста выдавливается из тюбика. Эти же методы ранее позволяли превращать мелкие металлические обрезки, такие как стружка и хлопья, в твердые куски.

Исследователи взяли за основу цилиндр из коммерчески чистого магния диаметром около одного дюйма. Примерно 8 процентов его объема составлял промытый и высушенный в печи порошок яичной скорлупы.

Температура поднялась примерно до 930 градусов по Фаренгейту, чего было достаточно, чтобы размягчить магний, не расплавив его. Размягченный металл выдавливался в виде прутка, и для сравнения использовался обычный магниевый пруток, изготовленный тем же способом.

Под электронным микроскопом фрагменты разбитой яичной скорлупы имели размеры от менее одной миллионной доли метра до миллиардных долей метра, а их свежие поверхности непосредственно соприкасались с окружающим магнием.

Химический анализ показал, что часть карбоната кальция распадается на оксид кальция, основной компонент негашеной извести, и углекислый газ. Вблизи краев некоторых частиц были обнаружены дополнительные атомы кислорода, что согласуется с наличием третьего соединения — оксида магния, вещества, которое магний образует при реакции с кислородом. Авторы назвали полную цепочку от карбоната кальция к оксиду кальция и оксиду магния «наиболее вероятной последовательностью реакций», и их расчеты показали, что магний и выделяющийся газ должны легко вступать в реакцию.

Не все частицы вступали в реакцию. Более крупные оставались практически неизменными, в то время как самые мелкие демонстрировали сильную реакцию. По мнению авторов, размер частиц сам по себе не определял результат; они указывали на локальные различия в температуре, деформации и контакте с металлом.

Фрикционная экструзия также изменила форму самого магния. Интенсивное скручивание и сжатие привели к разрушению внутренних кристаллов металла и их повторному росту, при этом их размер уменьшился вдвое по сравнению с кристаллами в гладком стержне. Более мелкие кристаллы, как правило, делают металл прочнее.

Результаты испытаний на твердость оказались примерно одинаковыми для обоих материалов, что может сделать использование яичной скорлупы бессмысленным.

Испытания микроскопических столбиков, вырезанных из металла, показали другую картину. Прочность магния сильно зависит от ориентации его кристаллов, поэтому команда сравнила столбики, вырезанные из кристаллов с аналогичной ориентацией. Оба варианта начали разрушаться при одинаковом давлении, но металл с яичной скорлупой продолжал оказывать сопротивление по мере продолжения сжатия, достигнув пика примерно в 225 мегапаскалей (единица измерения давления) по сравнению с примерно 200 для обычного магния. Это увеличение примерно на 12 процентов.

Частицы, полученные из яичной скорлупы, наряду с оксидом кальция и оксидом магния, вероятно, объясняют поздний прирост, поскольку затрудняют дальнейшее скольжение мельчайших дефектов в кристаллах металла по мере нарастания давления. Поскольку эти соединения рассеяны пятнами, а не образуют сплошной барьер, они, возможно, мало повлияли на процесс на начальном этапе.

Целью не была прочность. Исследователи стремились понять, что происходит с яичной скорлупой внутри металла, и результаты, полученные с помощью метода столбиков, основаны на крошечных образцах, а не на целом стержне. Авторы предполагают, что более быстрое вращение или более медленная подача металла усилят реакции, что позволит регулировать свойства материала. Они также описывают этот метод как энергоэффективный и масштабируемый.

Треснувшую яичную скорлупу, предназначенную для свалок или компостных ящиков, можно подвергнуть химическому воздействию магния, используя трение вместо плавления. Пока не доказано, даст ли это более прочный металл в полномасштабном производстве, но химический процесс дает вескую причину продолжать эксперименты с отходами в качестве сырья.