Przejrzysta droga od cieczy do szkła

Fot. Pixabay, CC0

Przez tysiąclecia używano stopionego piasku i innych składników do tworzenia szklanych koralików czy naczyń. Obecnie opracowywane są „metalowe szkła" - wykonane w całości z atomów metalu, które dzięki swojej twardości i wytrzymałości na korozję, doskonale nadają się do zastosowań biomedycznych, takich jak wyjątkowo ostre igły chirurgiczne, stenty czy implanty. Proces ten pozostaje jednak nadal dla naukowców niejasnym wysiłkiem, w którym główną rolę odkrywa wieloletnie doświadczenie i intuicja.

Profesor Voyles z Uniwersytetu Wisconsin-Madison wraz ze współpracownikami z Yale dokonali znacznych postępów na drodze do zrozumienia, jak, kiedy i gdzie stale poruszające się atomy w stopionym metalu blokują się, gdy materiał przechodzi z cieczy w szkło stałe. Może to ograniczyć czas i koszty związane z opracowaniem nowych metalowych materiałów szklanych oraz zapewnić producentom lepszy wgląd w proces projektowania

Jakie wyzwania stały przed naukowcami? Po pierwsze to, że gdy metale przechodzą ze stopionej cieczy do ciała stałego, mają tendencję do tworzenia uporządkowanych struktur zwanych kryształami. Natomiast materiały szklane są wysoce nieuporządkowane. Nie jest jednak tak, że wykonanie metalicznego szkła o wysokiej wydajności to to samo, co zapobieganie tworzeniu się kryształów przez metal, bo całość przypomina nieco losowanie – miejsce zajmie ten atom, który będzie szybszy.

W cieczy wszystkie atomy przesuwają się obok siebie przez cały czas. Kiedy stopiony metal chłodzi się i zaczyna się przechodzić w ciało stałe, jego atomy zwalniają i ostatecznie przestają się poruszać. To skomplikowany taniec na poziomie atomowym, który wciąż odkrywają naukowcy. Opierając się na swoim doświadczeniu w mikroskopii elektronowej i analizie danych, pokazali, że tak się nie dzieje w tym przypadku.

Eksperymenty zespołu potwierdziły, że czas potrzebny do zablokowania atomów w miejscu jest bardzo zróżnicowany. "Niektóre regiony o rozmiarach nanometrów stają się "lepkie" i trzymają się swoich sąsiadów przez bardzo długi czas, podczas gdy między nimi są elementy, które poruszają się znacznie szybciej. Potem wszystko staje się wolniejsze, ale lepkie części stają się coraz większe, aż wygrywają, a materiał staje się bryłą." - mówi Voyles.

Powiedział on także: "To naprawdę podstawowa nauka. Ale ostateczny potencjalny wpływ na zastosowanie to fakt, że naprawdę rozumiemy, jak to działa na poziomie atomowym, co daje nam możliwość zbudowania narzędzi, które pozwolą nam uzyskać to, co chcemy, zamiast dostawać to tylko wtedy, gdy sprzyja nam szczęście."

(KB)