Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 6 – vyšlo 9. února, ročník 22 (2024) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

6/2024

Zázračně mizející trhliny

Petr Kulhánek

Když se ještěrce utrhne část ocásku, prý jí doroste. Obecně je regenerační schopnost organizmů neuvěřitelná. U některých speciálních plastů byla tato schopnost zopakována, a to díky jejich pečlivě vytvořené vnitřní struktuře. Drobné trhlinky vzniklé opakovaným namáháním se mohou v těchto speciálních plastech zacelit. U kovů by ale nikdo takovou samoregenerační schopnost neočekával. A přesto byla detekována nejprve v roce 2013 v numerických simulacíchPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů. a o deset let později experimentálně pozorována. Pokud budeme schopni připravit kovové materiály s takovou vnitřní strukturou, že podpoří automatické scelování vznikajících mikrotrhlin, mohla by se u motorů, mostů či letadel prodloužit jejich životnost a oddálit jejich poškození v důsledku únavy materiálu, které je hlavní příčinou selhání těchto zařízení či jejich komponent.

Centrum integrovaných nanotechnologií, Sandia National Laboratories
v Novém Mexiku (Albuquerque). Zdroj: CINT, Sandia Labs.

Počítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů. Nanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů. TEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů.

Přelomová simulace

V roce 2013 zadal americký odborník na materiálovou vědu Michael Demkowicz svému tehdejšímu čínskému studentovi Quoxiangu Xu za úkol provést počítačovou simulaciPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů. vývoje malých prasklinek v kovu. V této simulaci, prováděné na základě kvantové teorie pevných látek na Massachusettském institutu technologií (MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO.), byl poprvé pozorován zcela výjimečný jev: jedna z prasklinek se sama z ničeho nic zacelila a zmizela. Fyzikální obec je k neobvyklým výsledkům numerických simulací vždy velmi nedůvěřivá. Samozřejmě mohlo jít o nějakou chybu numerické metody či falešné numerické řešení neodpovídající ani původním rovnicím, ani žádnému skutečnému přírodnímu ději. Podobné „hojení“ prasklinek ale v zápětí pozorovali i v jiných skupinách, které prováděly počítačové simulace odlišnými metodami. Víra v reálnost takového procesu značně vzrostla a Michael Demkowicz, dnes profesor na Texaské A&M univerzitě, navrhl, že proces hojení mohl souviset s difúzí atomů a molekul v blízkosti praskliny, která je ovlivněna pohybem hranic mezi nanozrny materiálu. Na experimentální potvrzení jevu předpověděného numerickou simulací si ovšem museli počkat ještě dlouhých deset let.

Transmisní elektronový mikroskop v centru integrovaných nanotechnologií (Sandia Labs), v němž byly v roce 2023 pozorovány hojící se trhliny. Zdroj: Craig Fritz, SNL.

Pozorování trhlin

Tým specialistů z Texaské A&M univerzity a z národní laboratoře Sandia Labs pod vedení amerického fyzika Brada Boyceho prováděl výzkum vzniku únavových trhlin v kovech. Vzorek platiny o tloušťce 40 nanometrů byl opakovaně natahován s frekvencí dvěstěkrát za sekundu. Při takové opakující se deformaci se v plíšku začnou objevovat malé trhliny. Zkuste si stokrát ohnout železný plíšek – nepodaří se vám to, dříve dojde k  rozvoji trhlin a plíšek praskne. Vznikající trhlinky vědci pozorovali v transmisním elektronovém mikroskopu. Miniaturní trhlinky se v průběhu dalších cyklů experimentu dle očekávání zvětšovaly a vedly k výraznému poškození plíšku, které označujeme jako únava materiálu (vede k ní neustále se opakující deformace určitého typu). Právě únava materiálu byla například příčinou zhroucení konstrukce radioteleskopu v Green Bank v noci 15. listopadu 1988. Kolos o průměru 91 metrů se zřítil jako domeček z karet a ráno byl nalezen v troskách.

U jedné z trhlinek byl náhodně pozorován zcela nečekaný vývoj. Její zvětšování se nejen zastavilo, ale část trhliny se jakoby zázrakem „zhojila“ a poté se trhlina začala šířit v úplně jiném směru. Jev poněkud připomínal svařování za studena, kdy se k sobě přiblíží dvě části kovu pod vysokým tlakem a atomy začnou difundovat z jedné části do druhé a vytvoří vazby, které obě části spojí. Při dalším výzkumu se potvrdilo, že klíčový je pohyb hranic mezi jednotlivými nanozrny. Při vhodné orientaci nejbližší hranice mezi zrny a vhodném směru jejího pohybu dojde k samovolnému zacelení trhliny. Experiment ukázal, že vznik trhliny nemusí být nevratným procesem a potvrdil výsledky numerických simulací, které byly prováděny před deseti lety. Výsledky byly publikovány v prestižním časopise Nature v červenci 2023.

Snímky vznikající trhliny pořízené mikroskopem TEM. Vlevo nahoře je počet cyklů natahování plíšku. Oranžová šipka označuje konec trhliny. Na prvních dvou sním­cích trhlina roste, na třetím se levá větev zacelila a na čtvrtém začala trhlina narůstat v jiném směru, než měla zacelená část. Zdroj: Nature, SNL, Texas A&M.

V tuto chvíli jde samozřejmě zatím jen o princip. K praktickému využití je ještě daleká cesta. Experiment byl prováděn s platinou a bude třeba vyzkoušet jiné kovy, zejména ty, které se využívají při konstrukci nejrůznějších namáhaných strojů, kde je únava materiálu častým problémem. Dále byl experiment prováděn ve vakuu, což není případ skutečných součástek. A do třetice: pečlivě připravený vzorek měl zrna materiálu o velikosti řádově deset nanometrů. Materiály skutečných strojů mají zrna o mnoho větší. Dalo by se tedy říci, že provedený experiment je sice přelomový, ale na hony vzdálený únavě materiálů používaných ve strojírenství. Není ale vyloučeno, že experimenty půjdou zopakovat i za jiných podmínek, nebo že se podaří vyvinout „chytré“ materiály s takovým uspořádáním jednotlivých nanozrn, které zvýší pravděpodobnost samoopravných mechanizmů. Pokud by se to podařilo, šlo by o revoluci ve strojírenství.

Odkazy