Φανταστείτε ένα υλικό τόσο ανθεκτικό, που όσο περισσότερο παγώνει, αντί να γίνεται εύθραυστο σαν γυαλί, βρίσκει έναν τρόπο να «αυτοθεραπεύεται» και να αντιστέκεται στα ραγίσματα.
Στον κόσμο της επιστήμης των υλικών, το ακραίο ψύχος ήταν πάντα ο μεγαλύτερος εχθρός των μετάλλων, καθώς οι χαμηλές θερμοκρασίες αλλοιώνουν τη δομή τους και τα κάνουν να σπάνε με την παραμικρή πίεση.
Μια νέα, επαναστατική ανακάλυψη έρχεται τώρα να ανατρέψει όσα γνωρίζαμε. Ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν πειραματικά κράματα που όχι μόνο αντέχουν σε συνθήκες βαθιάς κατάψυξης, αλλά επιστρατεύουν ένα απροσδόκητο «όπλο»: Χρησιμοποιούν τις ίδιες τις ατέλειες των κρυστάλλων τους για να παραμείνουν άθραυστα εκεί όπου όλα τα άλλα υλικά θα κατέρρεαν.
Δύο πειραματικά κράματα αντιστάθηκαν στο ράγισμα στους −253°C δημιουργώντας νέες κρυσταλλικές ατέλειες, προσφέροντας έναν πιθανό δρόμο για τη δημιουργία πιο ανθεκτικών μετάλλων στο ακραίο ψύχος. Τα περισσότερα μέταλλα γίνονται ισχυρότερα καθώς ψύχονται, αλλά ορισμένα γίνονται επίσης πιο ευάλωτα στο σπάσιμο.
Το σίδηρο, το βολφράμιο και το χρώμιο ανήκουν σε μια κατηγορία που ονομάζεται μέταλλα με χωροκεντρωμένη κυβική δομή (BCC), των οποίων η ατομική διάταξη μπορεί να τα κάνει όλο και πιο εύθραυστα καθώς πέφτει η θερμοκρασία.
Ένα ράγισμα που υπό άλλες συνθήκες το μέταλλο θα μπορούσε να απορροφήσει λυγίζοντας ή τεντώνοντας, μπορεί αντίθετα να προκαλέσει κάταγμα. Αυτή η ικανότητα παραμόρφωσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κίνηση των ατελειών γραμμής (dislocations), οι οποίες είναι γραμμικές ατέλειες στην κρυσταλλική δομή του μετάλλου.
Σε χαμηλές θερμοκρασίες, αυτές οι ατέλειες γίνονται πιο δυσκίνητες, περιορίζοντας το πόσο μπορεί να παραμορφωθεί το υλικό για να εκτονώσει τις δυνάμεις που συσσωρεύονται γύρω από ένα ράγισμα.
Κράματα αντιστέκονται στο ράγισμα στους −253°C
Δύο πειραματικά κράματα με βάση το νιόβιο-τιτάνιο απέφυγαν αυτό το πρόβλημα ακόμη και στους 20 Κέλβιν, δηλαδή περίπου στους −253°C, αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο παραμορφώνονται.
Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley και το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης διαπίστωσε ότι τα κράματα παρέμειναν εξαιρετικά ανθεκτικά στο ράγισμα.
Μάλιστα, δεν εμφάνισαν καμία μετρήσιμη μετάβαση σε εύθραυστη συμπεριφορά στη χαμηλότερη θερμοκρασία που δοκιμάστηκε. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature, αποκαλύπτουν πώς αυτά τα κράματα δημιουργούν νέες διεξόδους παραμόρφωσης όταν ο συνήθης μηχανισμός γίνεται δύσκολος.
Για να δοκιμάσουν τα κράματα σε αυτές τις συνθήκες, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το όργανο Engin-X στην Πηγή Νετρονίων και Μιονίων ISIS στο Όξφορντσιρ (Oxfordshire).
Έψυξαν τα δείγματα με αέριο ήλιο στους περίπου −253°C και στη συνέχεια τα εξέθεσαν σε μια δέσμη νετρονίων, ενώ μια μηχανή δοκιμών τα τραβούσε και από τις δύο άκρες. Οι δοκιμές μέτρησαν με ακρίβεια πόση δύναμη μπορούσαν να αντέξουν τα δείγματα και πόσο τεντώνονταν πριν σπάσουν.
Κρυσταλλικές ατέλειες που κρατούν τα κράματα άθραυστα
Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια επέτρεψαν στην ομάδα να εξετάσει τις δομικές αλλαγές γύρω από τα ραγίσματα και στο εσωτερικό του δοκιμασμένου μετάλλου. Οι ερευνητές παρατήρησαν διδυμία (twinning) σε νανοκλίμακα, μια διαδικασία κατά την οποία μικροσκοπικές περιοχές του κρυστάλλου αναδιοργανώνονται σε κατευθύνσεις που αποτελούν είδωλα καθρέφτη, σε συνδυασμό με μια τοπική μεταμόρφωση της κρυσταλλικής δομής.
Χρησιμοποίησαν επίσης ανάλυση με ατομική ακίδα (atom-probe analysis) για να χαρτογραφήσουν την κατανομή των επιμέρους στοιχείων, καθώς και ηλεκτρονικά μοντέλα σε υπολογιστή για να διερευνήσουν πώς οι διαφορετικοί μηχανισμοί συνεργάζονταν για την πρόληψη της εύθραυστης αστοχίας.
Όταν οι νεοσχηματισμένες δομές έφταναν στα όρια μεταξύ γειτονικών κρυστάλλων, δημιουργούσαν συγκεντρωμένα σημεία τάσης που πυροδοτούσαν νέες ατέλειες γραμμής (dislocations). Αυτές οι νέες ατέλειες επέτρεπαν στο υλικό να συνεχίσει να παραμορφώνεται και να απορροφά τις δυνάμεις γύρω από ένα ράγισμα. Έτσι, ακόμη και όταν οι υπάρχουσες ατέλειες γίνονταν πιο δυσκίνητες, τα κράματα μπορούσαν να δημιουργήσουν καινούργιες σε αυτά ακριβώς τα όρια.
Ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Δρ. Ντέιβιντ Κουκ (David Cook), ο οποίος βρισκόταν στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ κατά τη διάρκεια της έρευνας και τώρα εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, δήλωσε: «Τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι πρέπει να αλλάξουμε τον τρόπο με τον οποίο σκεφτόμαστε για το τι καθορίζει τη μετάβαση αυτών των μετάλλων στην ευθραυστότητα. Παραδοσιακά, η προσοχή ήταν στραμμένη στο πόσο εύκολα μπορούν να κινηθούν οι υπάρχουσες ατέλειες γραμμής (dislocations) μέσα σε ένα μέταλλο, αλλά τώρα φαίνεται ότι η ικανότητα δημιουργίας νέων ατελειών στα όρια διεπαφής (interfaces) μπορεί επίσης να είναι κρίσιμης σημασίας.
Αξιοποιώντας αυτές τις γνώσεις, ίσως μπορέσουμε να σχεδιάσουμε τις κατάλληλες συνθήκες μικροδομής που θα επιτρέπουν σε ένα υλικό να δημιουργεί τις δικές του διεξόδους, ώστε να παραμένει όλκιμο (ελαστικό) σε ακραίες θερμοκρασίες». Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν εξαρτήματα που εκτίθενται σε συνθήκες εξαιρετικού ψύχους στους τομείς της ενέργειας, των μεταφορών και της αεροδιαστημικής.
Ο συνυπεύθυνος συγγραφέας από την Οξφόρδη, Καθηγητής Ντονγκ Λιου (Dong Liu), από το Τμήμα Μηχανικής Επιστήμης του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, δήλωσε: «Για δεκαετίες, η μετάβαση από την όλκιμη (ελαστική) στην εύθραυστη συμπεριφορά θεωρούνταν θεμελιώδης περιορισμός των μετάλλων με χωροκεντρωμένη κυβική δομή. Αυτό που μας εξέπληξε είναι ότι αυτά τα κράματα παραμένουν εξαιρετικά ανθεκτικά στη φθορά ακόμη και στους 20 Κέλβιν. Αποκαλύπτοντας πώς η διδυμία (twinning) και η μεταμόρφωση φάσης συνεργάζονται για να δημιουργήσουν πλαστικότητα πριν από τη συμβατική κίνηση των ατελειών γραμμής, εντοπίσαμε ένα νέο μονοπάτι για τον σχεδιασμό δομικών μετάλλων με χωροκεντρωμένη κυβική δομή που μπορούν να λειτουργήσουν σε ακραία κρυογονικά περιβάλλοντα.
Αυτή η κατηγορία υλικών θα είναι εξαιρετικά χρήσιμη για εξαρτήματα που υφίστανται ακραίες υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες στην ίδια εφαρμογή».
