Odwieczna prawda ma lukę. Rozgrzany metal nie zawsze jest plastyczniejszy
Przez stulecia każdy, kto miał do czynienia z obróbką metali, wiedział jedno – żeby ułatwić sobie pracę, trzeba materiał rozgrzać. Ta prosta zasada leżała u podstaw rozwoju całej metalurgii. Okazuje się jednak, że w ekstremalnych warunkach ta odwieczna prawda po prostu przestaje działać. Naukowcy z Northwestern University wykazali, że w pewnych sytuacjach wszystko dzieje się na odwrót i opublikowali już w czasopiśmie Physical Review Letters pracę, która podważa fundamenty podręcznikowej wiedzy.
Czytaj też: Nowe metamateriały z MIT mogą wchłaniać uderzenia jak kontrolowana poduszka powietrzna
Ich eksperymenty pokazują, że podczas ultraszybkiego odkształcania, podgrzanie czystego metalu nie powoduje jego zmiękczenia, lecz znacząco zwiększa jego twardość i wytrzymałość. Tego typu odkrycie może mieć daleko idące konsekwencje dla projektowania materiałów, które muszą znosić niewyobrażalne obciążenia, bo na przykład w technologiach hipersonicznych czy przy ochronie satelitów.
Gdy metal stawia opór szybkości, powszechna wiedza idzie do kosza
Klasyczne podejście zakłada, że dostarczona energia cieplna sprawia, iż atomy w krysztale metalu zyskują większą swobodę ruchu, przez co materiał staje się bardziej podatny na kształtowanie. Chris Schuh, kierujący zespołem badawczym, wprost przyznaje, że jego zespół natrafił na coś zupełnie przeciwnego.
Jedna z najbardziej podstawowych zasad w metalurgii mówi, że jeśli podgrzejesz metal, to ten staje się miększy. […] odkryliśmy, że jeśli podgrzejesz czysty metal i spróbujesz zdeformować go przy ekstremalnie wysokich prędkościach, wszystko się odwraca. Dzieje się coś przeciwnego – metal się wzmacnia, stawiając opór deformacji. Jest to sprzeczne z intuicją i pokazuje, że jeśli chcemy projektować materiały dla ekstremalnych warunków, musimy odejść od konwencjonalnej wiedzy – Chris Schuh, Northwestern University.
Aby zbadać to zjawisko, inżynierowie posłużyli się specjalnym urządzeniem mikrobalistycznym. Wystrzeliwali nim drobiny z prędkością sięgającą setek metrów na sekundę w powierzchnię czystych metali, takich jak nikiel czy złoto. Uderzenia były tak gwałtowne, że powodowały niemal natychmiastowe rozciągnięcie materiału i to nawet o równowartość 100 milionów procent jego pierwotnej długości w ciągu zaledwie sekundy.
W testach dla niklu używano aluminiowych (tlenkowych) mikrosfer o średnicy około 20 µm, rozpędzanych typowo do 60-270 m/s, celowo poniżej zakresu, w którym zaczęłyby dominować efekty szokowe. To rozróżnienie jest ważne, bo sensacyjność tego wyniku nie polega na tym, że “metal nagle łamie zasady”, tylko że zmienia się mechanizm, który w danej chwili ogranicza plastyczność.
Czytaj też: Miały pękać, a wytrzymują. Najbardziej bezczelny pomysł na elektronikę od lat
Kluczowym warunkiem zaobserwowania anomalii było podgrzanie metalu do temperatury około 155 stopni Celsjusza. W tych warunkach czyste metale nie miękły, lecz twardniały. Mechanizm tego zjawiska tłumaczy się wzmożonymi wibracjami atomów. Podczas ekstremalnie szybkiego uderzenia atomy zaczynają oscylować z taką intensywnością, że fizycznie blokują ścieżki, którymi mogłaby postępować deformacja. Badacze potwierdzili, że im wyższa jest temperatura, tym silniejsze są te wibracje, tworząc tym samym bardziej chaotyczną i skuteczną barierę. Paradoksalnie, to właśnie ciepło, które zwykle rozluźnia strukturę, w tym przypadku zmusza atomy do tak szybkiego ruchu, że te aktywnie odpychają siłę zewnętrzną, wzmacniając tym samym materiał.
Czystość metalu ma znaczenie i potencjalne zastosowania odkrycia
Najciekawszym aspektem tego odkrycia jest absolutna konieczność zachowania wysokiej czystości metalu. Efekt nadmiernego utwardzania pod wpływem ciepła i prędkości znika całkowicie, gdy do materiału doda się nawet śladowe ilości (i to ledwie rzędu 0,3 procent) innego pierwiastka. W standardowych stopach, takich jak stal, zanieczyszczenia rzeczywiście działają jak przeszkody, które ciepło pomaga pokonać, zgodnie ze starą zasadą. Takie odkrycie daje tym samym inżynierom nowy parametr do projektowania: świadomy wybór między czystym metalem a stopem w zależności od spodziewanych warunków pracy. Otwiera to drogę do tworzenia materiałów szytych na miarę dla konkretnych, ekstremalnych zadań.
Potencjalne zastosowania tego odkrycia są niezwykle intrygujące, choć na razie brzmią futurystycznie. Naukowcy widzą możliwość projektowania systemów, które celowo wykorzystywałyby to zjawisko. Wyobraźmy sobie na przykład zewnętrzną powłokę satelity, która w momencie wykrycia zbliżającego się mikrometeorytu lokalnie się nagrzewa, aby w ułamku sekundy zwiększyć swoją twardość i odeprzeć uderzenie. Nie jest to czysta fantazja, ale realna koncepcja oparta na nowo poznanym zjawisku fizycznym.
Czytaj też: Koniec 0 i 1. Ten ultracienki tranzystor robi coś, czego nie potrafi większość pamięci
Przeprowadzone badania są doskonałym przypomnieniem, jak głęboko zakorzenione przekonania potrafią ograniczać nasze myślenie. Obalenie zasady, którą uważano za nienaruszalną, pokazuje, że w nauce zawsze należy zostawić miejsce na wątpliwości. Przed naukowcami stoi teraz trudne, ale ekscytujące zadanie: przełożyć tę czysto laboratoryjną obserwację na praktyczne technologie, które wytrzymają próbę czasu i prawdziwych, a nie tylko symulowanych, ekstremalnych warunków.