Kvantmekanisk materialforskning

Presentation

Levente Vitos, Raquel Lizárraga och Erik Holmström.
Levente Vitos, Raquel Lizárraga och Erik Holmström.
En stor utmaning för teoretiska materialfysiker har länge varit att kunna omsätta väletablerade kvantmekaniska teorier till direkt användbara verktyg för industriella tillämpningar. Inom ett samarbete mellan KTH och Sandvik Coromant har man dock börjat kunna visa hur stor nytta kvantmekanik faktiskt kan göra för svensk materialutveckling.

Det är professor Levente Vitos grupp på Institutionen för Materialvetenskap KTH som genom ett flertal samarbetsprojekt med modelleringsgruppen på Sandvik Coromant har lyckats föra in kvantmekaniska beräkningar som standardverktyg. För närvarande jobbar Levente deltid på Sandvik Coromant genom ett SSF-finansierat projekt för strategisk mobilitet. Levente Vitos och Raquel Lizárraga från KTH har jobbat med Erik Holmström från Coromant för att modellera fram alternativ till kobolt i hårdmetallprodukter under de senaste fyra åren. Kobolt används för att binda ihop partiklar av volframkarbid i hårdmetallen men har de senaste åren funnits vara cancerframkallande vid inandning.
– Det är en stor utmaning att ersätta kobolten i våra produkter, för alternativen är både sämre och mer komplicerade att producera, säger Erik Holmström.

Kvantmekaniska beräkningar
Tillsammans har dock forskarna antagit utmaningen med hjälp av kvantmekaniska beräkningar där fokus har varit att först ägna mycket energi på att förstå varför kobolten är ett så bra bindemedel för hårdmetall.
– Vi beräknade en stor mängd egenskaper hos kobolt och jämförde dem med samma egenskaper hos andra metaller och sedan filtrerade vi ut dem som var unika för just kobolt, förklarar Raquel Lizárraga.
Forskarlaget kom fram till att kobolt har en unik typ av energiförhållande mellan instabila och stabila kristallstrukturer som styr hur kobolt härdar under deformation. Beräkningar av nya legeringar med liknande energiförhållanden har resulterat i alternativ hårdmetall med en s.k. högentropilegering som bindefas.
– Det är en legering med ett flertal komponenter som forskare aldrig skulle ha kunnat gissa sig fram till utan avancerade kvantmekaniska beräkningar, säger Levente Vitos.
Forskarna designar alltså redan hårdmetall på den kvantmekaniska nivån, men på KTH har man siktet inställt på större mål.
– Vi har startat ett internationellt nätverk, QMFORMa, som består av expertgrupper på kvantmekaniska beräkningar, alla med olika industrinära specialinriktningar, säger Raquel Lizárraga (qm-forma.com). Projektet stödjs av europeiska företag genom European Institute for Innovation and Technology (EIT) och fungerar som en portal för företag som är intresserade av att ta del av kvantmekanisk materialutveckling.

KTH – Institutionen för Materialvetenskap
Institutionen för Materialvetenskap ansvarar för forskning och undervisning inom allt från konstruktionsmaterial till avancerade material som aluminiumlegeringar, rostfritt stål, verktygsstål, högtemperaturmaterial, zirkoniumlegeringar, kompositmaterial, högtemperatursupraledare, magnetostriktiva material, högentropilegeringar och minnesmetaller. Institutionen är medlem i Scientific Group Thermodata Europe (SGTE).
E-post: levente@kth.se, raqli@kth.se, erik.holmstrom@sandvik.com
www.met.kth.se

Publicerad: 26 juni, 2018