Znajdź zawartość

Czy szkło może być wytrzymalsze od stali? Jak pokazują badania, tak, jeśli jest to „szkło metaliczne" (inaczej mówiąc: metal amorficzny). Niełatwo jest takie szkło otrzymać, ale jego parametry kuszą przełomem w technologii materiałowej. Tradycyjne, znane nam szkło różni się od większości materiałów tym, że posiada strukturę amorficzną: to znaczy w postaci stałej nie formuje kryształów, lecz jego cząstki są rozmieszczone bezładnie, podobnie jak w cieczy (dlatego nazywa się je czasem, z pewną przesadą, „zestaloną cieczą"). Taka struktura materiału posiada wiele zalet, ale ma też wielką wadę: kruchość. Wzmacnianie szkła pozwala tę wadę częściowo zniwelować, ale bardziej obiecujące wydaje się podejście odwrotne: nadanie metalom struktury amorficznej, podobnej do szkła. Jest to bardzo trudne, jako że metale stygnąc formują regularne struktury. Jedynym znanym sposobem na „oszukanie" metalu jest tak szybkie jego schłodzenie, aby nie zdążył takiej regularnej struktury uformować. Nad nową generacją takich materiałów pracuje zespół złożony z naukowców trzech amerykańskich placówek: U.S. Department of Energy, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) oraz California Institute of Technology (CalTech). Metaliczne szkło jest wyjątkowo wytrzymałe, niestety dziedziczy główną wadę amorficznej struktury: kruchość. W materiałach krystalicznych to właśnie struktura powstrzymuje pęknięcia przed powiększaniem się, w materiałach amorficznych niewielkie pęknięcie rozszerza się i powoduje rozpad całości. Metaliczne szkło stworzone głównie przez Mariosa Demetriou to nanostop wielu metali z domieszką palladu. Materiał ten posiada wyjątkową właściwość zmiany swojej struktury w miejscu pęknięcia lub rysy - początkowo jest amorficzna, lecz w miejscu powstającego uszkodzenia tworzą się mikroskopijne kryształy powstrzymujące pęknięcie przed rozszerzaniem się. Kluczem był taki dobór składu, aby energia wymagana do zmiany struktury amorficznej w krystaliczną była mniejsza niż potrzebna do rozszerzenia się uszkodzenia. Krystaliczne elementy przybierają formę „dendrytów", nie likwidując tym samym struktury amorficznej. Co ciekawe, najnowsza wersja materiału potrafi zmieniać fazę z amorficzną na krystaliczną również w wyniku zginania, zapobiegając pęknięciu również w takich sytuacjach. Ponieważ badania trwają, naukowcy spodziewają się osiągnięcia jeszcze bardziej wytrzymałych materiałów. Problemem też nadal jest rozmiar osiąganych elementów - ponieważ ich produkcja wymaga wciąż bardzo szybkiego schładzania, bardzo ogranicza to możliwości. Stop złożony z palladu, krzemu, fosforu i germanu pozwala na stworzenie próbek o średnicy nie przekraczającej milimetra. Dodanie do stopu srebra pozwoliło osiągnąć przełomowy rozmiar sześciu milimetrów, co obrazuje skalę problemu. Domieszkowanie na na celu „zdezorientowanie" stopu, który „nie wiedząc" jaką ma właściwie przyjąć strukturę, łatwiej przyjmuje postać amorficzną.

Naukowcy z California Institute of Technology (Caltech) niedawno opracowali nowe techniki obrazowania, które teraz pozwoliły im na wykonanie zdjęć pól elektrycznych tworzących się wskutek interakcji elektronów i fotonów. Mogli też śledzić zmiany zachodzące w strukturach w skali atomowej. Czterowymiarowa mikroskopia (4D) wykorzystuje pojedynczy elektron, który do tradycyjnej mikroskopii elektronowej wprowadza wymiar czasu, dzięki czemu możliwe jest śledzenie zmian w skali atomowej. Podczas testów naukowcy byli w stanie skupiać strumień elektronów na wybranym przez siebie obszarze obserwowanego obiektu. W tradycyjnej mikroskopii strumień elektronów uderza w obiekt, elektrony odbijają się od atomów obiektu, trafiają do detektora, dzięki któremu uzyskujemy obraz. Jeśli jednak atomy obiektu się poruszają, obraz jest zamazany, przez co części detali nie można dostrzec. Uczeni z Caltechu wykorzystali impulsy elektronów w miejsce stałego ich strumienia. Najpierw testowa próbka, w tym wypadku był to kawałek krystalicznego krzemu, jest podgrzewana za pomocą krótkiego impulsu lasera. Następnie trafia w nią femtosekundowy impuls elektronów. Dzięki temu, że trwa on niewiarygodnie krótko, atomy w próbce nie zdążą przemieścić się na zbyt dużą odległość, dzięki czemu uzyskujemy ostry obraz. Odpowiednio dobierając czas pomiędzy kolejnymi podgrzaniami próbki a bombardowaniem jej elektronami, naukowcy mogą wykonać całą serię "fotografii", którą następnie składają w "film". Technikę tą opracował wybitny naukowiec Ahmed Zewail, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Brał on też udział, wraz z Brettem Barwickiem i Davidem Flanniganem, w stworzeniu techniki nazwanej indukowaną przez fotony mikroskopią elektronową bliskiego pola (PINEM). Korzysta ona z faktu, że w nanostrukturach fotony generują zanikające pole elektryczne, które może być źródłem energii dla elektronów. Uczeni wykorzystali ten fakt do oświetlania niektórych materiałów impulsem lasera, co powodowało, że materiały te zaczynały "świecić". Rozbłysk trwał bardo krótko, od dziesiątek do setek femtosekund, wystarczająco jednak długo, by udało się go zarejestrować. Podczas swoich eksperymentów uczeni oświetlali impulsami lasera węglowe nanorurki i srebrne nanokable. Natychmiast po impulsie laserowym w kierunku próbek wysyłano elektrony, które "żywiły" się energią generowanych przez fotony pól elektrycznych. Ilość energii pobieranej przez elektrony była proporcjonalna do długości fali światła laserowego. Technika ta pozwala na obrazowanie zanikających pól elektrycznych dzięki badaniom zmian w poziomie energii poszczególnych elektronów. Jak zauważyli twórcy nowej techniki, otwiera ona nowe możliwości przed specjalistami zajmującymi się plazmoniką, fotoniką i dyscyplinami pokrewnymi. To, co jest najbardziej interesujące z punktu widzenia fizyki to fakt, że możemy obrazować fotony za pomocą elektronów. W przeszłości, z powodu trudności w odróżnieniu energii i momentu elektronów i fotonów, nie sądziliśmy, że uda się uzyskać technikę podobną do PINEM czy że uda się zwizualizować to w czasie i przestrzeni - stwierdził Zewail.