Atomy wcale nie zachowują się przypadkowo
Tradycyjne podejście zakładało, że intensywne procesy obróbki metali – takie jak gwałtowne chłodzenie, walcowanie czy rozciąganie – prowadzą do całkowitego wymieszania atomów. Rodrigo Freitas z MIT podważa to założenie w dość dosadny sposób:
Wniosek jest taki: nigdy nie można całkowicie zrandomizować atomów w metalu. Nie ma znaczenia, jak go przetwarzasz – tłumaczy Rodrigo Freitas z Massachusetts Institute of Technology
Zespół badawczy przeprowadził szczegółowe symulacje komputerowe zachowania milionów atomów w stopie zawierającym chrom, kobalt i nikiel. Obserwacje prowadzone podczas ekstremalnych deformacji ujawniły coś zaskakującego: atomy tworzą uporządkowane struktury, które przetrwają nawet najbardziej agresywne procesy produkcyjne.
Czytaj też: Rheinmetall i MBDA tworzą potężny system obronny. Niemcy dołączają do światowej czołówki z nową bronią
Badania opublikowane w Nature Communications wskazują na istnienie dwóch typów uporządkowania atomowego. Pierwszy to stany quasi-równowagowe, które przypominają układy znane z termodynamiki, choć powstają w zupełnie innych warunkach. Drugi rodzaj jest jednak znacznie ciekawszy. To stany dalekie od równowagi, których nie da się uzyskać konwencjonalnymi metodami obróbki cieplnej. Kluczową rolę w tym procesie odgrywają dyslokacje, czyli swoiste „usterki” w strukturze krystalicznej metalu. Okazuje się, iż te niedoskonałości mają swoje chemiczne preferencje. Freitas wyjaśnia to w następujący sposób:
Defekty te mają preferencje chemiczne, które kierują ich ruchem. Szukają ścieżek o niskiej energii, więc mając wybór między zerwaniem wiązań chemicznych, mają tendencję do zrywania najsłabszych wiązań, a to nie jest całkowicie losowe.
Procesy takie jak szybkie krzepnięcie czy obróbka plastyczna prowadzą do powstania resztkowego uporządkowania. Oznacza to, że otrzymywane stopy nie są ani pozbawione struktury, ani nie mają takiego uporządkowania, jakie obserwowalibyśmy w temperaturze topnienia. To zupełnie nowa kategoria stanów materiałowych, która dotąd umykała naszej uwadze.
Nowe możliwości w projektowaniu materiałów
Odkrycie otwiera interesujące perspektywy dla przemysłu. Naukowcy opracowali strukturę programistyczną wykorzystującą uczenie maszynowe i teorię informacji, która pozwala przewidywać te nierównowagowe stany. Co ciekawe, procesy produkcyjne mogą prowadzić do osiągnięcia efektywnych temperatur uporządkowania przewyższających nawet punkt topnienia stopu – coś, co wcześniej uważano za fizycznie niemożliwe. Do tej pory nikt specjalnie nie przejmował się chemicznym uporządkowaniem podczas produkcji metali. Teraz okazuje się, iż kontrola nad tymi wzorcami może pozwolić na precyzyjne kształtowanie właściwości materiałów – od wytrzymałości mechanicznej po odporność na promieniowanie. Wszystko to bez konieczności zmiany składu chemicznego czy mikrostruktury stopu.
Czytaj też: Polacy i Rosjanie stworzyli wspólnie nowy stan skupienia. To hybryda światła i materii
Tradycyjne metody wyżarzania, które stanowią podstawę kontroli struktury stopów, są niezwykle czasochłonne i kosztowne. W temperaturze pokojowej większość stopów potrzebowałaby stuleci, aby osiągnąć stan równowagi. Procesy nierównowagowe mogą być zatem jedyną praktyczną drogą do eksploracji pełnego spektrum możliwych stanów uporządkowania atomowego. Warto zauważyć, że procesy zachodzące w niższych temperaturach mogą być lepiej dostosowane do osiągnięcia pożądanego uporządkowania. Kontrola temperatury jest zazwyczaj prostsza niż stosowanie ekstremalnie dużych sił mechanicznych, co otwiera drogę dla zaawansowanych technik wytwarzania, takich jak zgrzewanie tarciowe z rozprowadzaniem czy natryskiwanie na zimno.
Odkrycie ma również znaczenie dla materiałów pracujących w ekstremalnych warunkach. Resztkowe uporządkowanie stanowi dolną granicę dla mieszania chemicznego, co wpływa na reaktywność w materiałach wysokoenergetycznych. Ta wiedza może zmienić sposób projektowania stopów dla przemysłu lotniczego, kosmicznego czy energetyki jądrowej. Stajemy przed nową erą w metalurgii, gdzie uporządkowanie atomowe staje się dodatkowym wymiarem projektowania właściwości materiałów. Możliwość jednoczesnego projektowania struktury atomowej wraz z mikrostrukturą i składem chemicznym poszerza przestrzeń możliwości w sposób, który jeszcze niedawno wydawał się nieosiągalny.