Znajdź zawartość

Szkło z definicji jest materiałem amorficznym, w którym atomy nie są uporządkowane. Jednak okazało się, że ma ono ukryte właściwości. Gdy uczeni poddali wysokiemu ciśnieniu mały kawałek szkła metalicznego okazało się, że atomy utworzyły pojedynczy kryształ. Po raz pierwszy zauważono takie zachowanie się szkła. Być może wiele rodzajów szkła ma takie właściwości,ale nie wiemy jak ich szukać - mówi Wendy Mao, fizyk ze SLAC National Accelerator Laboratory i Uniwersytetu Stnnforda, jedna z autorów badania. Daniel Miracle, metalurg z Air Force Research Laboratory zauważa, że to niezwykle ważne odkrycie, które pozwoli zrozumieć, dlaczego szkło metaliczne może być tak wytrzymałe. Jeśli uda się uzyskać ze szkła metalicznego pojedynczy kryształ, to struktura taka nie będzie miała słabych punktów. Podczas badań użyto szkła metalicznego złożonego z ceru i aluminium. Stop ten używany jest np. do zabezpieczenia w sklepach towarów przed kradzieżą. To właśnie namagnesowane szkło metaliczne z ceru i aluminium wszczyna alarm w bramkach. Badania szkła metalicznego trwają od pół wieku, a w 1982 roku zauważono, że jego atomy mogą tworzyć jednak pewne powtarzające się struktury. Ich długość wynosiła jednak zaledwie kilka atomów. Żadnych innych uporządkowanych struktur nie zauważono. Struktura szkła to wciąż tajemnica. Niewiele o niej wiemy, mimo iż bardzo często używamy szkła. Trudno jest ją badać za pomocą tradycyjnych metod - mówi Qiaoshi (Charles) Zhang, z chińskiego Uniwersytetu Zjejiang, który stał na czele zespołu naukowego złożonego z ekspertów z SLAC, Uniwersytetu Stanforda, Carnegie Institution of Washington, George Mason University oraz Jilin University. Uczeni ściskali miniaturowe kawałki szkła między ostrzami diamentów, poddając je ciśnieniu 250 000 barów. Ze zdumieniem zauważyli, że atomy uległy uporządkowaniu. Co więcej, wszystkie były ustawione w tym samym kierunku, co wskazuje, że fragment szkła, z którego uzyskano mniejsze kawałki do badań, miał „zapisaną" w sobie tę strukturę i powstała ona podczas jego produkcji.

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.