При температура от -253°C повечето известни метали променят напълно свойствата си. Материали като желязото, волфрамът и хромът, които обикновено са здрави и пластични, при такъв екстремен студ стават крехки и се чупят лесно като стъкло. Две иновативни експериментални сплави на базата на ниобий и титан обаче успешно нарушават това физично правило. Изследователи от международен екип съобщават в списание Nature, че след охлаждане до 20 келвина тези метали остават изключително здрави и жилави, без никакви индикации за преминаване в чупливо състояние.
Това научно изследване, публикувано на 14 октомври, е резултат от съвместната работа на експерти от Оксфордския университет, Калифорнийския университет в Бъркли, Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“ и още десетина институции от САЩ, Великобритания и Сингапур. Професор Дун Лиу от катедрата по инженерни науки в Оксфорд, който е един от водещите автори, споделя, че екипът е бил изненадан от забележителната устойчивост на тези сплави срещу повреди дори при температура от 20 келвина.
Предизвикателството, пред което са изправени учените, е фундаментално за металургията. Металите с обемно центрирана кубична решетка обикновено се деформират благодарение на дефекти в кристалната структура, наречени дислокации, които позволяват на материала да се огъва вместо да се пука. При много ниски температури обаче движението на тези дислокации става изключително затруднено, което води до разрушаване на метала. Инженерната мисъл е била ограничена от тази граница в продължение на цял век.
Новите сплави успяват да заобиколят този проблем. На наномащаб в тях се образуват т.нар. „двойници“ – малки зони, в които кристалът се пренарежда в огледална ориентация, както и региони с локална трансформация на структурата. На границите на кристалните зърна тези образувания създават напрежение, което генерира нови дислокации. Деформацията не спира, а продължава по алтернативни пътища, подобно на трафик, който се пренасочва при блокирани главни улици.
Д-р Дейвид Кук, водещ автор на публикацията, който е работил по проекта в Бъркли, а днес е част от екипа на Университета в Кеймбридж, обяснява, че тези резултати налагат преосмисляне на разбиранията за прехода към крехкост при металите. Досега фокусът е бил насочен основно към лекотата на движение на дислокациите, но се оказва, че критично значение има и способността на граничните повърхности да създават нови такива.
За да докажат това, изследователите са охлаждали пробите с течен хелий до около -253°C и са ги подлагали на разтягане, докато неутронен лъч е наблюдавал процесите вътре в кристала. Експериментите са проведени с инструмента Engin-X в неутронния източник ISIS в лабораторията „Ръдърфорд Апълтън“. Проучването е допълнено с електронна микроскопия, атомна сонда за картографиране и прецизно компютърно моделиране.
Изборът на температура не е случаен. 20 келвина е точката на кипене на течния водород, което прави откритието изключително ценно за водородната енергетика, ракетните резервоари и свръхпроводящите магнити в термоядрените реактори и ускорителите. Проф. Лиу отбелязва, че тези материали са идеални за компоненти, подложени едновременно на екстремен студ и висока топлина, каквито се срещат в космонавтиката и транспорта.
Макар че практическото приложение на ниобиево-титановите сплави в реални конструкции тепърва предстои да бъде оценено, поради високата цена на ниобия и дългия процес на сертификация, самото откритие е революционно. Фактът, че металът може да бъде научен да се огъва при условия, при които досега е бил обречен на счупване, променя учебниците по металургия.
Източник: plovdiv24.bg
