Μελέτη Ohio State: σκόπιμα ελαττώματα κρυστάλλων ενισχύουν δύο κράματα χωρίς αλλαγή της χημείας τους

Μια ομάδα με επικεφαλής ερευνητές του The Ohio State University αναφέρει ότι σκόπιμα εισαγόμενα ελαττώματα κρυστάλλων, διατεταγμένα σε πυκνά διατεταγμένα δίκτυα, ενίσχυσαν δύο μεταλλικά κράματα χωρίς να αλλάξουν τη χημική τους σύσταση. Η αξιολογημένη από ομοτίμους μελέτη δημοσιεύθηκε στο Science αυτήν την εβδομάδα, σύμφωνα με δελτίο Τύπου του πανεπιστημίου. Συν-συγγραφείς προέρχονται από το Πανεπιστήμιο Erlangen-Nuremberg στη Γερμανία και το Lawrence Livermore National Laboratory στην Καλιφόρνια.

Η μέθοδος έχει δύο βήματα. Οι ερευνητές παραμόρφωσαν πρώτα τους κρυστάλλους δύο υλικών με βάση το κοβάλτιο, ενός υπερκράματος που περιέχει νικέλιο και ενός κράματος χρωμίου-βολφραμίου, και στη συνέχεια γήραναν αργά το υλικό με θερμότητα. Το δελτίο αναφέρει ότι αυτό παρήγαγε πυκνά, ατομικά λεπτά χαρακτηριστικά μέσα στη δομή. Ο τίτλος της εργασίας, όπως αναφέρεται από το TechXplore, τα περιγράφει ως διατεταγμένες δισδιάστατες φάσεις ελαττωμάτων. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης μαζί με υπολογιστικές προσομοιώσεις, η ομάδα συνέδεσε την αύξηση αντοχής με τον τρόπο διάταξης των ατόμων γύρω από αυτά τα ελαττώματα, και το δελτίο αναφέρει ότι η αλλαγή αυτής της διάταξης θα μπορούσε να επηρεάσει την αντοχή του υλικού.

Σύμφωνα με το δελτίο, η διαδικασία αύξησε αισθητά τόσο την τάση που μπορούσαν να αντέξουν τα μέταλλα όσο και την αντίστασή τους στην αργή παραμόρφωση, ή ερπυσμό, σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο κύριος συγγραφέας Andreas Bezold, επίκουρος καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Ohio State, δήλωσε ότι τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι ένα στρώμα σκόπιμων ελαττωμάτων θα μπορούσε να συμπληρώσει τον συμβατικό σχεδιασμό υλικών. «Θέλαμε να κάνουμε αυτές τις ενισχυτικές δομές σκόπιμο μέρος του σχεδιασμού του υλικού», είπε. Η εργασία βασίζεται σε προηγούμενη έρευνα του Ohio State που έδειξε ότι ελαττώματα σχηματιζόμενα κατά την παραμόρφωση μπορούν να γίνουν ενισχυτικά στρώματα· το δελτίο περιγράφει τη νέα προσέγγιση ως την πρώτη που εισάγει πυκνότητες ελαττωμάτων που εμπλουτίζουν πλήρως αυτά τα κράματα.

Ο συν-συγγραφέας Michael Mills, καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Ohio State, δήλωσε ότι αν και τα ελαττώματα συνδέονται συνήθως με ζημιά, «τα σωστά ελαττώματα με τη σωστή δομή και χημεία μπορούν στην πραγματικότητα να κάνουν ένα υλικό ισχυρότερο». Το δελτίο υποδεικνύει ότι η προσέγγιση θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή κραμάτων υψηλής αντοχής για εξοπλισμό εκτεθειμένο σε υψηλές θερμοκρασίες, αναφέροντας ως παραδείγματα κινητήρες αεροπορικών στροβίλων και μηχανήματα σταθμών παραγωγής ενέργειας, αλλά το παρουσιάζει ως μελλοντική δυνατότητα. Προς το παρόν, αναφέρει, η συμβολή της ομάδας είναι η διεύρυνση των αρχών σχεδιασμού στη μηχανική.

Τα αποτελέσματα προέρχονται από μία μόνο αξιολογημένη από ομοτίμους μελέτη σε δύο συγκεκριμένα κράματα. Το δελτίο δεν αναφέρει βιομηχανικές δοκιμές, δοκιμές εξαρτημάτων ή ποσοτικά στοιχεία αντοχής και δεν δίνει χρονοδιάγραμμα για πρακτική χρήση. Η χρηματοδότηση προήλθε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και το National Science Foundation, με πρόσθετη υποστήριξη από το Ίδρυμα Alexander von Humboldt και το Κέντρο Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας και Ανάλυσης του Ohio State.