Stop żelaza i złota w ogniu
Stopy metali złożone z nanokryształów są znacznie bardziej wytrzymałe i twardsze w porównaniu z ich większymi odpowiednikami. Korzyści wykorzystywania „nanostopów” bledną nieco w obliczu faktu, że ich struktura nanokrystaliczna rozkłada się we względnie wysokich temperaturach. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu TheSBIE opracowano stop żelaza i złota, który zachowuje swoją nanokrystaliczną strukturę w temperaturach powyżej 1 000 °C – bliskich temperaturze topnienia złota.
Małe kryształy, duże problemy
Metale zawierające krystality są zwykle niestabilne w wysokich temperaturach, stosowanych zazwyczaj podczas produkcji i przetwarzania metali. Krystality mogą rosnąć i łączyć się ze sobą, co powoduje zmiękczenie metali i jest zjawiskiem niepożądanym. „Sąsiadujące krystality mają różne orientacje, co prowadzi do powstania między nimi granicy ziaren. Ta granica faz jest nieuporządkowana, zwłaszcza w wysokich temperaturach, co sprawia, że między krystalitami powstają duże obszary o stosunkowo otwartej strukturze”, wyjaśnia Dor Amram, koordynator projektu TheSBIE. Dlatego atomy na granicy ziaren są w wyższym niż zwykle stanie energetycznym. Gdyby mogły, wolały wcisnąć się do środka krystalitów niż pozostawać na ich granicach. Ten nadmiar energii wynika z dążenia kryształu do usunięcia granic ziaren. W rezultacie ziarna wykazują tendencję do wzrostu, najlepiej do wielkości pojedynczego kryształu.
Pionierskie podejście termodynamiczne do redukcji nadmiaru energii
Aby pokonać podstawowe problemy ze stabilnością stopów nanokrystalicznych w wysokich temperaturach, badacze projektu zastosowali podejście zwane „stabilizacją termodynamiczną przez inżynierię interfejsu”, które bazuje na segregacji. Amram wyjaśnia zasadę, na której opiera się ta koncepcja: „Segregacja substancji rozpuszczonej na granicę ziaren daje odcinek materiału o odrębnym składzie i odrębnych właściwościach, które mogą pozytywnie lub negatywnie wpływać na ogólne właściwości materiału. Co ważne, te »strefy« o zwiększonym (lub zmniejszonym) stężeniu substancji rozpuszczonej mogą zmniejszyć nadmierną energię na granicach ziaren, przez co kryształ nie będzie już »chciał« ich usuwać. Siła napędowa wzrostu ziarna spada do zera, a stop nanokrystaliczny staje się stabilny termicznie”. „Nasze wyniki rzucają wyzwanie teorii, która wiąże przyspieszenie wzrostu ziaren i zmniejszenie wytrzymałości stopu nanokrystalicznego ze wzrostem temperatury. Zmniejszanie rozmiarów ziaren w wyższych temperaturach otwiera nowe możliwości w projektowaniu materiałów, zwłaszcza w zastosowaniach wymagających materiałów o wysokiej wytrzymałości w wysokich temperaturach”, dodaje Amram.
Lepsza alternatywa dla stabilizacji kinetycznej
Mechanizm odpowiadający za zapewnienie stabilności termicznej materiałów nanokrystalicznych bazuje nie tylko termodynamice, ale również na kinetyce, co nie jest żadną nowością. Stabilizacja kinetyczna nanokrystalitów polega na rozpraszaniu w stopie cząstek wtórnych z innej fazy. Cząsteczki te działają jak „kotwice”, opóźniając lub utrudniając ruch na granicach ziaren. Podejście to nie daje znaczących korzyści, ponieważ nie ogranicza występowania w układzie siły napędowej do zwiększania granic ziaren. „To tak, jak rzucanie kijów pod koła. Materiał ostatecznie znajdzie sposób na zwiększenie wielkości granicy ziaren”, mówi Amram. Wyniki projektu podważają podstawowe badania dotyczące granicy ziaren w materiałach nanokrystalicznych. „Granice ziaren o zerowej (lub ujemnej) energii to temat, który budzi mnóstwo kontrowersji i dzieli społeczność materiałoznawców. Prace teoretyczne i symulacje mogą przeczyć naszym wynikom, ale wykazaliśmy eksperymentalnie, że uzyskanie takich granic jest rzeczywiście możliwe”, podsumowuje Amram.
Słowa kluczowe
TheSBIE, wysokie temperatury, granice ziaren, krystality, stop nanokrystaliczny, metal, żelazo-złoto, segregacja, stabilizacja termodynamiczna
