Mokslininkai sukūrė medžiagą, kuri plieną palieka už nugaros: ji gali būti iki 10 kartų stipresnė

Plienas ilgą laiką buvo laikomas vienu patikimiausių konstrukcinių medžiagų simbolių. Iš jo statomi pastatai, gaminamos mašinos, laivai, tiltai, įrankiai ir daugybė kitų dalykų, be kurių šiuolaikinė civilizacija sunkiai įsivaizduojama.

Tačiau medžiagų mokslas nestovi vietoje. Purdue universiteto inžinieriai pranešė sukūrę naują kobalto ir aliuminio pagrindo medžiagą, kuri bandymuose pasiekė įspūdingą stiprumo ir plastiškumo derinį. Pasak universiteto, šios CoAl tarpmetalinės medžiagos takumo riba siekė apie 6 gigapaskalius – maždaug 6–10 kartų daugiau nei kai kurių didelio stiprumo konstrukcinių plienų.

Skamba kaip mokslinė fantastika, bet svarbiausia čia ne vien skaičius. Dar įdomiau tai, kad ši medžiaga nėra tik labai kieta ir trapi. Ji sugebėjo deformuotis nesulūždama – o būtent tai ilgą laiką buvo viena didžiausių itin tvirtų medžiagų problemų.

Kodėl vien stiprumo neužtenka?

Sukurti labai stiprią medžiagą nėra paprasta, tačiau dar sunkiau sukurti tokią, kuri būtų ir stipri, ir pakankamai plastiška.

Jeigu medžiaga tik stipri, bet trapi, ji gali atlaikyti milžinišką apkrovą iki tam tikros ribos, o tada staiga lūžti. Tai pavojinga ten, kur detalės patiria vibraciją, smūgius, temperatūros pokyčius ar nuolatinę mechaninę įtampą.

Būtent todėl aviacijoje, energetikoje ar kosmoso technologijose medžiagai keliami labai griežti reikalavimai. Ji turi būti ne tik stipri, bet ir gebėti bent šiek tiek deformuotis, sugerti dalį energijos ir neprarasti vientisumo akimirksniu.

Čia ir slypi Purdue tyrėjų darbo esmė. Jie parodė, kad tarpmetalinis kobalto ir aliuminio junginys, kuris įprastai būtų linkęs į trapumą, gali būti pakeistas taip, kad išlaikytų ne tik milžinišką stiprumą, bet ir pastebimą plastiškumą kambario temperatūroje.

Kas yra ši nauja medžiaga?

Naujoji medžiaga vadinama CoAl. Tai kobalto ir aliuminio tarpmetalinis junginys.

Tarpmetaliniai junginiai skiriasi nuo paprastų lydinių tuo, kad jų atomai yra išsidėstę labai tvarkingoje kristalinėje struktūroje. Tokia tvarka suteikia medžiagai daug privalumų: didelį stiprumą, atsparumą aukštai temperatūrai, gerą atsparumą dilimui ir gebėjimą dirbti ekstremaliomis sąlygomis.

Dėl šių savybių tokios medžiagos labai domina inžinierius. Jos gali būti naudingos orlaivių varikliuose, dujų turbinose, energetikos įrangoje, automobilių pramonėje ar kosmoso technologijose. Purdue universitetas pažymi, kad tarpmetaliniai junginiai laikomi svarbiais kandidatais ten, kur reikia veikti aukštoje temperatūroje ir didelių apkrovų aplinkoje.

Tačiau yra viena didelė problema: tokios medžiagos dažnai būna trapios, ypač kambario temperatūroje. Kitaip tariant, jos gali būti labai stiprios, bet ne visada atleidžia klaidas.

Naujoji medžiaga

Mokslininkai pasirinko keistą kelią: pridėjo „netobulumų“

Paprastai norisi galvoti, kad kuo medžiaga tobulesnė, tuo ji geresnė. Tačiau šiuo atveju tyrėjai pasielgė beveik priešingai.

Jie nebandė sukurti visiškai idealios kristalinės struktūros. Vietoj to mokslininkai sąmoningai įvedė kontroliuojamus atominius netobulumus, vadinamus dislokacijomis.

Dislokacijos yra mikroskopiniai atomų išsidėstymo nelygumai. Iš pirmo žvilgsnio tai skamba kaip defektas, bet daugelyje metalų būtent tokie „defektai“ leidžia medžiagai deformuotis nelūžtant. Atomų sluoksniai gali šiek tiek slysti vienas kito atžvilgiu, todėl medžiaga ne iškart trūksta, o prisitaiko prie apkrovos.

Purdue tyrėjai aiškina, kad CoAl plastiškumui kambario temperatūroje reikia daug dislokacijų. Jos leidžia medžiagai atlaikyti dideles jėgas be staigaus skilimo.

Kitaip tariant, mokslininkai defektą pavertė pranašumu.

Svarbiausias triukas – amorfinės ribos

Vien dislokacijų neužteko. Tyrėjai sukūrė ir vadinamąjį amorfinių sąsajų karkasą.

Tai itin plonos sritys tarp medžiagos sluoksnių, kur atomai nėra tvarkingai išsidėstę kaip kristale. Tokios ribos veikia kaip lankstesnės zonos, kurios deformacijos metu gali iš dalies persitvarkyti ir paskatinti naujų dislokacijų atsiradimą.

Purdue komanda šią struktūrą sukūrė naudodama magnetroninio dulkinimo nusodinimo metodą. Tai nėra įprastas metalo liejimas, kai medžiaga iš skystos būsenos virsta kieta. Šiuo atveju medžiaga formuojama kaip plonas sluoksnis iš garų fazės, todėl galima tiksliai valdyti jos nanostruktūrą.

Būtent šis nanosluoksnių ir amorfinių ribų derinys leido pasiekti tai, kas paprastam CoAl junginiui būtų labai sunku: išlikti itin stipriam, bet kartu nesubyrėti vos tik prasideda deformacija.

Kiek ji iš tikrųjų stipri?

Bandymuose naujoji CoAl nanolaminuota medžiaga pasiekė apie 6 GPa takumo ribą. Tai labai didelis rodiklis.

Palyginimui, Purdue universitetas nurodo, kad toks rezultatas yra maždaug 6–10 kartų didesnis nei didelio stiprumo konstrukcinio plieno. Medžiaga taip pat atlaikė apie 15 proc. plastinę deformaciją gniuždant kambario temperatūroje.

Tai svarbu todėl, kad daugelis itin tvirtų medžiagų paprastai kenčia nuo trapumo. Jos gali būti stiprios, bet vos viršijus ribą lūžta staiga ir be didesnio įspėjimo.

Šiuo atveju tyrėjai gavo ne vien didelį stiprumą, bet ir gebėjimą deformuotis. Purdue postdoktorantas Ke Xu šį stiprumo ir plastiškumo derinį pavadino vienu geriausių iki šiol aprašytų tarpmetalinių sistemų rezultatų.

Kodėl tai gali būti svarbu aviacijai ir energetikai?

Tokios medžiagos labiausiai domina ne dėl kasdienių daiktų. Niekas artimiausiu metu greičiausiai negamins keptuvių, dviračių rėmų ar telefonų korpusų iš tokio CoAl nanolaminato.

Didžiausias potencialas slypi ekstremaliose srityse.

Orlaivių varikliai, dujų turbinos, energetikos įranga ir kosmoso technologijos nuolat ieško medžiagų, kurios būtų stipresnės, atsparesnės karščiui ir galėtų veikti didžiulėmis apkrovomis. Jeigu medžiaga leidžia variklio ar turbinos komponentams atlaikyti didesnes jėgas, teoriškai galima kurti efektyvesnes ir patikimesnes sistemas.

Purdue profesorius Xinghang Zhang pažymėjo, kad plastiškai deformuojami didelio stiprumo CoAl lydiniai galėtų būti naudingi naujos kartos turbinų mentėms, nes leistų varikliams ar turbinoms veikti didesniais greičiais ir atlaikyti didesnes išcentrines jėgas.

Tai nereiškia, kad toks metalas jau keliauja į gamyklas. Bet kryptis labai aiški: jeigu pavyktų šį principą perkelti į didesnius gaminius, jis galėtų pakeisti kai kurių aukštos apkrovos komponentų projektavimą.

Kodėl šios medžiagos dar nepamatysime pramonėje?

Čia reikia šalto dušo.

Nors rezultatai įspūdingi, tai dar nėra pramoniniam naudojimui paruoštas metalas. Tyrėjai medžiagą sukūrė kaip nanostruktūrinę sistemą laboratorinėmis sąlygomis. Ji buvo gaminama ne tradiciniu liejimu, o specialiu nusodinimo procesu, kuris leidžia labai tiksliai formuoti plonus sluoksnius.

Tai reiškia, kad kol kas negalima tiesiog paimti šios technologijos ir pradėti lieti didelių turbinų dalių ar kosminių konstrukcijų.

Purdue tyrėjai patys nurodo, kad kitas žingsnis bus bandyti šią idėją pritaikyti didesniems CoAl nanokompozitams ir įvertinti, ar amorfinių sąsajų principą galima panaudoti ir kitose tarpmetalinėse medžiagose.

Tai labai svarbus skirtumas. Laboratorijoje pasiektas proveržis dar nėra tas pats, kas pigiai, greitai ir patikimai gaminama pramoninė detalė.

Kodėl šis atradimas vis tiek svarbus?

Didžiausia šio darbo reikšmė gali būti net ne pati CoAl medžiaga. Svarbiausia yra idėja.

Ilgą laiką daugelis tvirtų tarpmetalinių junginių buvo ribotai naudojami dėl trapumo. Jei mokslininkams pavyksta parodyti, kad plastiškumą galima padidinti valdant nanosluoksnius, dislokacijas ir amorfines sąsajas, atsiveria naujas kelias visai medžiagų klasei.

Tai gali reikšti, kad ateities medžiagos bus kuriamos ne šalinant visus defektus, o labai tiksliai juos išdėstant. Ne „tobula“ struktūra, o protingai valdoma netvarka gali tapti raktu į naujos kartos metalus.

Šis principas ypač viliojantis todėl, kad inžinerija nuolat balansuoja tarp priešingų savybių. Norima, kad medžiaga būtų stipri, bet ne trapi. Lengva, bet atspari. Kieta, bet galinti deformuotis. Atspari karščiui, bet apdirbama.

Purdue tyrėjų darbas rodo, kad bent dalį šio prieštaravimo galima įveikti nanoskalėje.

Ar tikrai galima sakyti, kad ji 10 kartų stipresnė už plieną?

Taip, bet su paaiškinimu.

Teiginys „10 kartų stipresnė už plieną“ skamba labai įspūdingai ir iš esmės remiasi tuo, kad naujoji CoAl medžiaga bandymuose pasiekė 6 GPa takumo ribą, o tai yra 6–10 kartų daugiau nei kai kurių didelio stiprumo konstrukcinių plienų.

Tačiau stiprumas nėra vienintelis medžiagos rodiklis. Inžinieriams svarbu ir kaina, gamybos būdas, atsparumas nuovargiui, smūginis tąsumas, elgsena aukštoje temperatūroje, korozija, ilgaamžiškumas ir galimybė gaminti dideles detales.

Todėl šio atradimo nereikėtų suprasti taip, kad plienas staiga tapo nereikalingas. Plienas dar labai ilgai išliks viena svarbiausių pramonės medžiagų.

Tačiau tai rodo, kad laboratorijose jau kuriamos medžiagos, kurios tam tikrais parametrais plieną gali palikti labai toli už nugaros.

Maži defektai gali pakeisti dideles technologijas

Naujoji kobalto ir aliuminio pagrindo medžiaga parodo, kaip smarkiai pasikeitė požiūris į metalų kūrimą. Anksčiau defektai dažnai buvo laikomi problema. Dabar jie gali būti tiksliai valdoma priemonė.

Jeigu šią idėją pavyks pritaikyti didesniu mastu, ateityje ji gali paveikti aviacijos, energetikos, gynybos, kosmoso ir aukštos temperatūros pramonės technologijas.

Kol kas tai nėra metalas, kurį rytoj pamatysime kasdieniuose gaminiuose. Bet tai labai aiškus ženklas, kur juda medžiagų mokslas.

Ateities metalai gali būti ne tiesiog kietesni ar sunkesni. Jie gali būti protingiau sukurti atomų lygmeniu – su tokiais „netobulumais“, kurie ne silpnina, o suteikia jėgos.