Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 11 (vyšlo 24. března, ročník 15 (2017)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Kovové sklo

Dana a Rudolf Mentzlovi

Pojem kovové sklo je poněkud zavádějící. Výstižněji materiál popisuje jiný ustálený termín, amorfní kov. Na první pohled se to zdá jako protimluv, protože kovy máme spojené s pevným řádem krystalické mřížkyKrystalická mřížka – pravidelné, periodické uspořádání atomů takové, že rovnoběžným posunutím o celočíselný násobek základní periody získáme tutéž strukturu. Směry, ve kterých toto nastává v případě posunutí o základní periodu, nazýváme hlavní směry mřížky, roviny na tyto směry kolmé nazýváme krystalografickými rovinami. Další třídu symetrií získáme kromě posunutí také otočením. Rentgenovou difrakcí zřetelně odhalíme krystalovou strukturu, neboť stopy rentgenových paprsků odražených od povrchu zkoumané látky vytvoří na filmovém materiálu ohybový obrazec, charakteristický pro každý typ krystalové struktury..

Již na základní škole jsme se učili, že kovy jsou kujné a zároveň jsme se také učili o jejich krystalické mřížceKrystalická mřížka – pravidelné, periodické uspořádání atomů takové, že rovnoběžným posunutím o celočíselný násobek základní periody získáme tutéž strukturu. Směry, ve kterých toto nastává v případě posunutí o základní periodu, nazýváme hlavní směry mřížky, roviny na tyto směry kolmé nazýváme krystalografickými rovinami. Další třídu symetrií získáme kromě posunutí také otočením. Rentgenovou difrakcí zřetelně odhalíme krystalovou strukturu, neboť stopy rentgenových paprsků odražených od povrchu zkoumané látky vytvoří na filmovém materiálu ohybový obrazec, charakteristický pro každý typ krystalové struktury.. Tato dvě fakta se zdánlivě těžko slučují. Krystalickou mřížku máme spojenou s čímsi pevným až křehkým. Vysvětlení rozporu se skrývá ve složitější struktuře krystaluKrystaly – látky charakteristické pravidelným uspořádáním částic (atomů, molekul nebo iontů), z nichž jsou složeny. Rozlišujeme monokrystalické a polykrystalické látky. Polykrystaly se skládají z drobných monokrystalů – náhodně orientovaných zrn o velikosti od desítek mikrometrů až po milimetry, monokrystaly se uspořádávají dalekodosahově (s nenulovou korelací orientace i ve velké vzdálenosti). Vlastnosti polykrystalů jsou izotropní (tj. mají ve všech směrech uvnitř krystalu stejné vlastnosti), monokrystalické látky vykazují naopak anizotropii, která je jednak objektem výzkumu a jednak ji lze využít v mnoha technických aplikacích.. Jednotlivé atomy skutečně vytvářejí krystalickou mřížku, ale pouze po malých částech nazývaných krystalizační jádraKrystalizační jádra – malé zárodečné monokrystaly spojující se do větších celků. Vazby mezi krystalizačními jádry jsou slabší, než vazby mezi jednotlivými atomy v krystalizační mřížce. . Teprve ta se spolu spojují a zaplňují objem materiálu. Vazby mezi jednotlivými jádry jsou volnější než mezi jednotlivými atomy, a tak mezi nimi vznikají jakési kluzné plochy, podél kterých se mohou jádra snáze posunovat. Kdybychom dokázali nějak narušit přísný řád mřížky a stavební prvky umístit víceméně náhodně, tak jako je to běžné v amorfních látkáchAmorfní látka – látka, u které chybí pravidelné uspořádání atomů, rentgenovou difrakcí u této látky získáme pouze difúzní obrazec, svědčící o nahodilém uspořádání bez pravidelné struktury., třeba ve skle, získal by kov zcela jiné vlastnosti.

Struktura kovu

Struktura kovu. Vlevo: krystal kovu složený z malých krystalizačních jader. Drobné defekty spolu se slabšími vazbami mezi jádry vytvářejí kluzné plochy. Napravo: neuspořádaná struktura kovového skla. Zdroj: Welt der Physik.

Kovové sklo – též amorfní nebo metalické sklo. Chemicky se jedná o kovy nebo slitiny kovů, ale na rozdíl od běžného stavu jednotlivé atomy neobsazují vrcholy krystalové mřížky, ale vytvářejí neuspořádaný stav připomínající podchlazenou kapalinu.

BMG – Bulk Metalic Glas, odlitky z kovového skla o tloušťce větší než 1 mm.

Krystalická mřížka – pravidelné, periodické uspořádání atomů takové, že rovnoběžným posunutím o celočíselný násobek základní periody získáme tutéž strukturu. Směry, ve kterých toto nastává v případě posunutí o základní periodu, nazýváme hlavní směry mřížky, roviny na tyto směry kolmé nazýváme krystalografickými rovinami. Další třídu symetrií získáme kromě posunutí také otočením. Rentgenovou difrakcí zřetelně odhalíme krystalovou strukturu, neboť stopy rentgenových paprsků odražených od povrchu zkoumané látky vytvoří na filmovém materiálu ohybový obrazec, charakteristický pro každý typ krystalové struktury.

Krystalizační jádra – malé zárodečné monokrystaly spojující se do větších celků. Vazby mezi krystalizačními jádry jsou slabší, než vazby mezi jednotlivými atomy v krystalizační mřížce.

Tak nějak uvažoval již roku 1960 výzkumný tým z CaltechuCALTECH – California Institute of Technology, prestižní americká univerzita, která vznikla v roce 1921. Založil ji chemik Arthur A. Noyes spolu s významným fyzikem Robertem A. Millikanem. Předchůdcem byla Throopova univerzita z roku 1891. a ze slitiny zlataZlato – aurum, chemicky odolný, velmi dobře tepelně i elektricky vodivý, ale poměrně měkký drahý kov žluté barvy. Již od dávnověku byl používán pro výrobu dekorativních předmětů, šperků a jako měnová záruka při emisích bankovek. V současné době je navíc důležitým materiálem v elektronice, kde je ceněna jeho vynikající elektrická vodivost a odolnost proti korozi. V přírodě se vyskytuje zejména ryzí.křemíkuKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). (Au75Si25) připravili první miligramy tohoto materiálu. Proč tak málo a proč právě ze zlata a křemíku? Technologie přípravy kovového skla je limitována rychlostí tvorby krystalické mřížky. Je zapotřebí, aby roztavený kov ztuhl rychleji, než dokáží jednotlivé atomy zaujmout uspořádané polohy. Toho lze docílit dvěma postupy. Na prvním místě je to bleskurychlé zchlazení. Typická rychlost chlazení se pohybuje v miliónech stupňů za sekundu. To je i odpověď na otázku, proč připravili materiálu tak málo a proč se po desítky let dařilo kovová skla vyrábět jen v plátcích silných desetinu milimetru. Druhá cesta k výrobě vede přes zpomalení tvorby mřížky. Vědci z Caltechu kombinovali atomy zlata a křemíku právě z toho důvodu, že dva tak rozdílné kovy si při tvorbě mřížky spíše překážejí a mřížku tvoří relativně pomalu.

Dnešní kovová skla jsou slitiny mnoha prvků. Velké oblibě se těší paladiumPaládium – drahý kov šedivě bílé barvy. Ve skupině drahých kovů se vyznačuje největší reaktivitou. Nalezá uplatnění především při výrobě průmyslových katalyzátorů a jako součást slitin pro dentální a šperkařské využití. Paladium izoloval v roce 1803 anglický chemik William Hyde Wollaston.. Paladium, jako příměs, natolik brzdí tvorbu krystalické mřížky, že stačí slitinu chladit rychlostí jen několika stupňů za sekundu a roztavený kov zchladne v neuspořádaném amorfním stavu. Laboratoře univerzity v japonském Tohoku dokázaly touto cestou vyrobit válec kovového skla (Pd40Cu30Ni10P20) o průměru 7 cm. Nevýhoda je zřejmá – cena.

S příchodem kovových skel se materiálovým inženýrům otevřely dveře do nového světa. Díky svému neuspořádanému stavu získávají kovy pozoruhodné vlastnosti. Nepřítomnost kluzných rovin krystalické mřížky způsobuje, že jsou kovy v tomto uspořádání velice tvrdé. Tvrdé a zároveň pružné, protože takový materiál velice špatně absorbuje mechanickou energii.

Ve středu zájmu je nyní numerické modelováníPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitivní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů. a příprava kovových skel na bázi různých kombinací kovů, případně dotovaných dalšími nekovovými prvky. Variant je nepřeberně a na svět přicházejí materiály se zajímavými vlastnostmi. Při obohacení o složky s magnetickými vlastnostmi získáváme materiál, který v magnetickém poli mění svůj objem. Jiné materiály se stávají plastickými i při běžných teplotách. Lze je tvarovat například v teplé vodě (Ce70Al10Ni10Cu10) a po vychladnutí se jim vrací původní tvrdost. Předmětem výzkumu jsou také supravodivé vlastnosti. Kovová skla se dobře odlévají. Není problém dosáhnout mikroskopické přesnosti, což je u klasických kovů nemožné, protože při ochlazování výrazně zmenšují svůj objem.

Odlitky z kovového skla

Odlitky ze slitiny Zr-Ti-Cu-Ni-Be. Zdroj: J. Schroers a kol.

Chaos v uspořádání elementárních částic připomíná kapalinu. Tak se také dlouhou dobu ke kovovým sklům přistupovalo. Nové zobrazovací metody však odhalily, že na malých měřítcích (jednotky až několik desítek atomů) se nacházejí malé krystalické struktury – Kasperovy mnohostěny.

Běžné kovy bývají náchylné ke korozi. Je to díky předělům mezi krystalickými jádry, podél kterých do materiálu proniká oxidační materiál. Kovová skla žádné takové předěly nemají a jejich neuspořádaná struktura je pro pronikání cizích molekul účinnou bariérou. Na druhou stranu je možné připravit materiály s takovým složením, které vnějším vlivům snadno podléhají. Ty pak nalézají uplatnění především v chirurgii. Vruty z takového kovu spojující zlomenou kost jsou neobyčejně pevné a přitom je organizmus dokáže pomalu odbourávat. Typická rychlost odbourávání je kolem jednoho milimetru za měsíc, což většinou bohatě stačí ke srůstu.

Slibné pole pro použití nabízí kosmická technika. Převody z kovových skel jsou odolné proti oděru a nepotřebují mazadla. Právě sondy určené pro průzkum studených míst sluneční soustavy takové převody potřebují. Při teplotách bližších k nule Kelvinově než Celsiově je téměř nemožné připravit mazadlo, které by se velice rychle nestalo lepidlem. Proto sondy spotřebovávají značnou část svého elektrického výkonu jen na ohřev těchto komponent. Převodovka, kterou není třeba mazat, by byla jednoznačnou výhrou.

Ozubené kolo vyrobené z kovového skla

Převody odlité z kovového skla není třeba mazat a nezkřehnou ani při teplotách
ve vzdálenějších koutech sluneční soustavy. Zdroj: NASA.

Metalurgie kovových skel je mladý obor, teprve na začátku své cesty. Neustále se hledají nové kombinace kovů a technologie jejich zpracování. Ještě nedávno se dařilo vyrábět pouze tenké plíšky kovových skel, používaných převážně jako tvrdé kryty citlivých přístrojů. Dnes kovová skla pomalu dobývají post součástek s rozměry v řádech centimetrů. Zítra je možná nalezneme v nosné konstrukci našeho automobilu.

Dva klipy na závěr

Experiment na Pensylvánské státní univerzitě. Nejprve dopadne kovová kulička na povrch běžného kovu, poté na kovové sklo, kterému chybí dislokace přebírající energii pádu, proto kulička poskakuje podstatně déle. Zdroj: PennState University.

Krátká lekce ukazující vlastnosti kovových skel. Zdroj: Ted Ed Lessons.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage