Μέταλλα που ρέουν σαν το μέλι

Τα μέταλλα, από τα πιο χρησιμοποιημένα υλικά του πλανήτη, έχουμε συνηθίσει να τα βρίσκουμε με εξόρυξη στη Γη. Μια νέα γενιά μετάλλων που κατασκευάζονται στο εργαστήριο είναι δυνατότερα και πιο σκληρά από τα φυσικά μέταλλα ακόμα και σε ρευστή μορφή.

Πρόκειται για τα συμπαγή μεταλλικά γυαλιά (bulk metallic glasses), που αποτελούν κράματα διάφορων μετάλλων όπως ζιρκόνιο, χαλκό, νικέλιο, αλουμίνιο, χρυσό, πλατίνα.

Είναι πιο λεία και γυαλιστερά και με γυμνό μάτι δε διαφέρουν από τα φυσικά.

Ράβδοι συμπαγών μεταλλικών γυαλιών από τον M Stolpe στο εργαστήριο του Chair for Metallic Materials of Prof. R Busch (Saarland University) CREDIT: Shuai Wei, CC BY-NC-ND

Πώς γίνεται να έχουν μεγάλη αντοχή αλλά και ταυτόχρονα να είναι ρευστά;

Οι ασυνήθιστες ιδιότητές τους οφείλονται στη διαφορετική δομή που έχουν σε ατομικό επίπεδο.

Όλα τα μέταλλα στη φύση έχουν μια κρυσταλλική, επαναλαμβανόμενη διάταξη των ατόμων, που στοιβάζονται σχεδόν ομοιόμορφα σε ένα τρισδιάστατο πλέγμα.

Space-filling model of part of the crystal structure of titanium carbide, TiC. (commons.wikimedia.org)

Αντίθετα, τα συνθετικά αυτά μέταλλα έχουν μια σχετική τυχαία κατανομή των ατόμων, αφού φτιάχνονται ψύχοντας καυτά λιωμένα υλικά, τόσο γρήγορα που τα άτομα «παγώνουν» στις θέσεις τους, ακανόνιστα όπως είναι σε ένα υγρό.

Η δομή των άμορφων συμπαγών μεταλλικών γυαλιών, όπως προέκυψε από in silico προσομοίωση. (2)

Ένα μειονέκτημα των φυσικών μετάλλων είναι ότι η κρυσταλλική τους δομή, μπορεί να παρουσιάζει ασυνέχειες. Οπότε με την εφαρμογή δύναμης τα επίπεδα ατόμων γλιστρούν το ένα πάνω στο άλλο και παραμορφώνεται. Αυτό όμως δε συμβαίνει στα μεταλλικά γυαλιά αφού τα άτομά τους είναι ανακατεμένα και όχι οργανωμένα σε ένα πλέγμα. Μπορούν να αντέξουν έτσι μεγαλύτερη παραμόρφωση ή δύναμη μέχρι να σταθεροποιηθούν σε ένα μόνιμο σχήμα.

Αυτό που κάνει αυτά τα μέταλλα να ξεχωρίζουν είναι ότι εμφανίζουν μεγάλη αντοχή και ταυτόχρονα μπορούν να ρέουν σαν παχύρρευστα υγρά ενώ είναι σε ψυχρή κατάσταση, μία μοναδική κατάσταση στην οποία μπορούν να μείνουν αρκετά σταθερά. Κάτι τέτοιο είναι πρακτικά αδύνατο για τα συμβατικά μέταλλα. Για να φθάσουν σε αυτή την κατάσταση θερμαίνονται μέχρι μία συγκεκριμένη θερμοκρασία, συνήθως στα 2/3 του σημείου τήξης, τόσο ώστε να «ξεπαγώσουν» τα άτομα και να αρχίσουν να μετακινούνται.

Έτσι επιτρέπουν στους επιστήμονες να τα χειριστούν όπως τα παραδοσιακά γυαλιά και πλαστικά και να τους δώσουν διάφορα σχήματα.

--

Πηγές:

η εικόνα εξωφύλλου που απεικονίζει ένα ρευστό μέταλλο, είναι ψηφιακό έργο τέχνης και ανήκει στον: Balakanu

1. Telford, M. (2004). The case for bulk metallic glass. Materials today, 7(3), 36-43.
2. Cheng, Y. Q., Ma, E., & Sheng, H. W. (2009). Atomic level structure in multicomponent bulk metallic glass. Physical review letters, 102(24), 245501.
3. Wagner, H., Bedorf, D., Küchemann, S., Schwabe, M., Zhang, B., Arnold, W., & Samwer, K. (2011). Local elastic properties of a metallic glass. Nature materials, 10(6), 439-442.