Nowe spojrzenie na strukturę metali
To, co znaleźli badacze, zmusza do przewartościowania podstawowych założeń w materiałoznawstwie. Chodzi o zjawisko zwane krótkodystansowym porządkiem chemicznym (SRO), które utrzymuje się w metalach pomimo poddawania ich najcięższym procesom produkcyjnym. Dotąd uważano, że takie zabiegi całkowicie randomizują strukturę atomową.
Nigdy nie można całkowicie zrandomizować atomów w metalu. Nie ma znaczenia, jak go przetwarzasz – wyjaśnia Rodrigo Freitas, główny autor badania
SRO to subtelny wzorzec, w którym atomy różnych pierwiastków w stopie wykazują tendencję do tworzenia lokalnych skupisk o określonych preferencjach chemicznych. Można to porównać do sytuacji, gdzie atomy “preferują” określone sąsiedztwo, nawet gdy metal przechodzi przez ekstremalne procesy walcowania czy kucia. Odkrycie tego zjawiska było możliwe dzięki zaawansowanym technikom uczenia maszynowego i symulacjom dynamiki molekularnej, które pozwoliły śledzić zachowanie milionów atomów. Badacze stworzyli modele odwzorowujące rzeczywiste procesy przemysłowe, obserwując reakcje atomów na skrajne naprężenia i deformacje. Algorytmy sztucznej inteligencji okazały się niezbędne do identyfikacji wzorców niewidocznych dla tradycyjnych metod badawczych.
To jest pierwsza praca pokazująca te stany nierównowagi, które są zachowane w metalu. W tej chwili ten porządek chemiczny nie jest czymś, co kontrolujemy lub na co zwracamy uwagę podczas produkcji metali – dodaje Freitas
Mechanizm tworzenia nowych struktur
Kluczowymi elementami tego procesu okazały się dyslokacje, czyli defekty w strukturze krystalicznej, które przemieszczają się podczas deformacji metalu. Co zaskakujące, te mikroskopijne “usterki” nie zachowują się całkowicie losowo, jak wcześniej zakładano. Dyslokacje wykazują chemiczne preferencje, ponieważ wybierają ścieżki o najniższej energii i mają tendencję do zrywania najsłabszych wiązań chemicznych. Ten mechanizm prowadzi do powstania tak zwanego “wrodzonego uprzedzenia porządkującego”, gdzie dyslokacje nie tylko niszczą istniejącą strukturę, ale jednocześnie tworzą nowy, subtelny wzorzec atomowy.
Te defekty mają preferencje chemiczne, które kierują ich ruchem. Szukają ścieżek o niskiej energii, więc mając wybór między zrywaniem wiązań chemicznych, mają tendencję do zrywania najsłabszych wiązań, i nie jest to całkowicie losowe – zauważa Freitas
Najciekawsze jest to, że odkryte stany SRO są “daleko od równowagi” – nie da się ich osiągnąć tradycyjnymi metodami obróbki cieplnej, takimi jak wyżarzanie. Powstają wyłącznie podczas intensywnej deformacji mechanicznej, co oznacza, że przemysł od lat nieświadomie tworzył unikalne stany materii. Dokonane odkrycie otwiera nowe możliwości w inżynierii materiałowej. Kontrolowane wykorzystanie SRO może teoretycznie pozwolić na precyzyjne dostrajanie właściwości stopów bez zmiany ich składu chemicznego. Krótkodystansowy porządek chemiczny wpływa na wiele kluczowych właściwości materiałów, w tym wytrzymałość mechaniczną, trwałość, pojemność cieplną, odporność na promieniowanie i właściwości katalityczne. Szczególnie obiecująco zapowiadają się zastosowania w energetyce jądrowej, gdzie odporność na uszkodzenia radiacyjne ma fundamentalne znaczenie.
Coś więcej, niż tylko teoretyczne ustalenia
Przemysł lotniczy mógłby skorzystać na możliwości łączenia metali, które normalnie nie mieszają się ze sobą, przy zachowaniu optymalnej wytrzymałości i niskiej gęstości. Nowoczesne techniki wytwarzania, takie jak osadzanie przez tarcie z mieszaniem, natryskiwanie na zimno czy wytwarzanie przyrostowe metali, mogą być szczególnie odpowiednie do eksploracji tych nierównowagowych stanów. Patrząc obiektywnie, przemysł materiałowy zawsze był konserwatywny, a wdrożenie nowych metod projektowania stopów zajmie jeszcze nieco czasu. Niemniej jednak, świadomość istnienia ukrytego porządku atomowego zmienia sposób myślenia o metalurgii. Możemy wkraczać w erę, w której kontrola nad lokalną strukturą atomową stanie się nowym wymiarem projektowania materiałów. Zamiast przypadkowego tworzenia struktur, być może nauczymy się je świadomie projektować.