Znajdź zawartość

W najnowszym numerze magazynu "Materials Today" znajdziemy opis badań nad niezwykłymi właściwościami szkła metalicznego, o którym informowaliśmy w styczniu. Okazuje się, że ten amorficzny wytrzymalszy od stali metal można formować jak plastiki nie tracąc jego trwałości i wytrzymałości. Zespół pracujący pod kierunkiem Jana Schroersa z Yale University stworzył stopy, które wyglądają jak zwykły metal, mogą jednak być formowane metodą wtryskiwania tak łatwo i tanio, jak plastik. Grupa Schroersa stworzyła już skomplikowane kształty, takie jak butelki, koperty zegarków, rezonatory czy implanty biomedyczne. Otrzymanie każdego z przedmiotów zajęło mniej niż minutę, a są one dwukrotnie bardziej wytrzymałe od zwykłej stali. Koszt materiałów potrzebnych do uzyskania stopów jest podobny do ceny stali o wysokiej jakości, gdyż zawierają one m.in. tytan, miedź, cyrkon czy nikiel, jednak koszt ich formowania jest bardzo niski. Kluczem do sukcesu jest wyeliminowanie tarcia, obecnego w innych technikach formowania metali. Wtryskiwanie eliminuje je całkowicie, pozwalając na uzyskanie dowolnych kształtów, nawet w nanoskali - stwierdził Schroers. Co więcej, dzięki zastosowaniu wtryskiwania jego zespół połączył trzy typowe etapy przetwarzania metalu (struganie, łączenie, polerowanie) w jeden. To może oznaczać powstanie całkowicie nowego sposobu pracy z metalami. Właściwości amorficznego metalu, które są lepsze od plastików i typowych metali, w połączeniu z łatwością, precyzją i niskimi kosztami wtryskiwania, mogą zmienić społeczeństwo tak, jak zmieniło je opracowanie syntetycznych tworzyw sztucznych i metod ich przetwarzania - mówi Schroers.

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.