Metale kojarzą się z twardymi kryształami, a szkło z kruchym i przezroczystym materiałem. Tymczasem istnieją szkła metaliczne, które łączą wytrzymałość metalu z nietypowymi właściwościami wynikającymi z nieuporządkowanej struktury atomowej. Naukowcy z Politechniki Warszawskiej sprawdzili, jak szybko trzeba schładzać ciekły pallad, by nie dopuścić do jego krystalizacji. Okazało się, że nawet setki miliardów stopni na sekundę mogą nie wystarczyć.
Szkła metaliczne znajdują zastosowanie w energooszczędnych transformatorach i precyzyjnych elementach zegarków, a także są badane jako materiały na narzędzia chirurgiczne. Mogą być bardzo twarde, odporne na zużycie i niezwykle wytrzymałe. W przeciwieństwie do zwykłego szkła nie są przezroczyste, a od tradycyjnych metali różnią się przede wszystkim sposobem ułożenia atomów.
W większości metali atomy tworzą regularne struktury krystaliczne. W szkłach metalicznych nie występuje takie dalekozasięgowe uporządkowanie. Różnica ta wpływa na właściwości mechaniczne. W zwykłych metalach za trwałe odkształcenia odpowiada w znacznej mierze przemieszczanie się defektów sieci krystalicznej, zwanych dyslokacjami. W szkłach metalicznych mechanizm ten nie występuje. Dzięki temu niektóre z nich wytrzymują większe naprężenia i mogą silniej odkształcać się sprężyście, po czym wracają do pierwotnego kształtu. Ich wadą bywa jednak skłonność do nagłego pękania bez wcześniejszego wyraźnego odkształcenia.
Aby otrzymać szkło metaliczne, nie można dopuścić do krystalizacji ciekłego metalu. Można to osiągnąć przez bardzo szybkie chłodzenie, podczas którego atomy tracą ruchliwość, zanim zdążą się uporządkować. Dlatego szkła metaliczne wytwarza się najczęściej ze specjalnie dobranych stopów kilku pierwiastków, których atomom trudniej utworzyć kryształ. Uzyskanie szklistej struktury z czystego metalu jest znacznie większym wyzwaniem.
Problem ten zbadali naukowcy z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej we współpracy z międzynarodowym zespołem. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Acta Materialia. Wybrali pallad, metal szlachetny o temperaturze topnienia około 1555 st. C, wykorzystywany również jako składnik wielu stopów szkłotwórczych.
W eksperymencie przeprowadzonym w europejskim ośrodku European XFEL cienką warstwę palladu stopiono ultrakrótkim impulsem laserowym. Temperatura metalu przekroczyła 2200 st. C, po czym rozpoczęło się błyskawiczne chłodzenie. Ciepło odpływało do otaczających warstw materiału, a średnia szybkość spadku temperatury wynosiła około 500 miliardów stopni na sekundę. Nie oznacza to oczywiście osiągania niewyobrażalnie niskich temperatur. Wystarczy, że temperatura spadnie o 500 stopni w ciągu jednej miliardowej części sekundy. W całym eksperymencie jej spadek wyniósł nieco ponad tysiąc stopni.
Mimo tak gwałtownego chłodzenia pallad ostatecznie skrystalizował. Wcześniej jednak przez około 2,5 nanosekundy pozostawał cieczą, choć jego temperatura spadła do około 930 st. C, czyli o ponad 600 stopni poniżej temperatury topnienia. To zjawisko nazywamy przechłodzeniem cieczy. Można je czasem zaobserwować nawet w domowej zamrażarce. Odpowiednio schłodzona, nieruchoma woda w butelce może pozostać ciekła poniżej 0 st. C, a następnie gwałtownie zamarznąć po wstrząśnięciu.
Podobnie w metalu, aby rozpoczęła się krystalizacja, musi pojawić się odpowiednio duża grupa atomów ułożonych we właściwy sposób. Dopiero taki zarodek może się powiększać. Przy obniżaniu temperatury działają jednak dwa przeciwstawne mechanizmy. Z jednej strony rośnie termodynamiczna skłonność metalu do krystalizacji, z drugiej atomy poruszają się coraz wolniej, więc trudniej im znaleźć właściwe miejsca w sieci krystalicznej.
Aby zrozumieć tę rywalizację, naukowcy przeprowadzili komputerowe symulacje ruchu ponad 1,3 miliona atomów palladu. Obserwowali powstawanie zarodków krystalicznych i rozrastanie się ziaren, których efektywne szybkości wzrostu wynosiły od około 1 do 8 metrów na sekundę. Ustalili też, że najintensywniejsze powstawanie zarodków zachodzi w temperaturze zbliżonej do połowy temperatury topnienia wyrażonej w kelwinach.
Co najważniejsze, przewidywania symulacji dotyczące początku krystalizacji zgadzały się z wynikami eksperymentu. Pozwoliło to oszacować, że aby otrzymać szkło z czystego palladu, potrzebne byłoby chłodzenie z szybkością około 10 bilionów stopni na sekundę, czyli dwudziestokrotnie większą niż w przeprowadzonym eksperymencie.
Badania wskazują również, że krystalizacja zaczyna się spontanicznie wewnątrz cieczy, a więc samo usunięcie zanieczyszczeń i powierzchni ułatwiających krzepnięcie nie wystarczy, by jej zapobiec. Wiedza o mechanizmach powstawania i wzrostu kryształów może pomóc w projektowaniu stopów łatwiej przekształcających się w szkła metaliczne oraz w kontrolowaniu procesów technologicznych, takich jak laserowa obróbka materiałów czy druk 3D z metalu.
kmp/ bar/
Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.
