כאשר פלדה, אלומיניום ומתכות או סגסוגות אחרות בשימוש נרחב עוברים תהליכים תעשייתיים כמו עיבוד שבבי, גלגול ופרזול, המבנה הננומטרי שלהם עובר שינויים דרמטיים. תהליכי ייצור מהירים במיוחד מקשים על ניתוח השינויים הללו בשל המהירות העצומה וקנה המידה הקטן שבהם הם מתרחשים, אך חוקרים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) בארה"ב הצליחו כעת לעשות בדיוק את זה, ולהגדיר מה קורה כאשר גרגרי גביש נוצרים במתכת תחת עיוות קיצוני בקנה מידה ננו. עבודתם יכולה לסייע בפיתוח מבני מתכת בעלי תכונות משופרות, כגון קשיות וקשיחות.
באופן כללי, ככל שגרגרי הקריסטל הללו קטנים יותר, כך המתכת תהיה קשיחה וחזקה יותר. מטלורגים מבקשים לעתים קרובות להקטין את גודל הגרגרים על ידי העמדת המתכות תחת מאמץ. אחת הטכניקות העיקריות שבהן הם משתמשים כדי לעשות זאת היא התגבשות מחדש, שבה מתכת מעוותת במתח גבוה ומחוממת כדי לייצר גבישים עדינים יותר. במקרים קיצוניים, תהליך זה יכול לייצר גרגרים בעלי ממדים ננומטריים.
"לא רק סקרנות מעבדתית"
צוות MIT בראשותו של כריסטופר שוה קבע כעת כיצד התהליך המהיר הזה בקנה מידה קטן מתרחש. הם עשו זאת על ידי שימוש בלייזר כדי לשגר חלקיקי מתכת נחושת על מתכת במהירויות על-קוליות והתבוננות במה שקרה כשהחלקיקים פגעו בה. Schuh מציין כי מהירויות גבוהות כאלה הן "לא רק קוריוז במעבדה", עם תהליכים תעשייתיים כמו עיבוד שבבי במהירות גבוהה; כרסום באנרגיה גבוהה של אבקת מתכת; ושיטת ציפוי הנקראת תרסיס קר כולן מתרחשות בקצבים דומים.
"ניסינו להבין את תהליך ההתגבשות הזה תחת שיעורים קיצוניים מאוד", הוא מסביר. "מכיוון שהשיעורים כל כך גבוהים, אף אחד לא באמת הצליח לחפור שם ולהסתכל באופן שיטתי על התהליך הזה לפני כן."
בניסויים שלהם, החוקרים שינו את המהירות והחוזק של ההשפעות ולאחר מכן חקרו את האתרים המושפעים תוך שימוש בשיטות מיקרוסקופיה מתקדמות בקנה מידה ננומטרי כמו עקיפה של פיזור לאחור של אלקטרונים ומיקרוסקופ אלקטרונים של העברה סריקה. גישה זו אפשרה להם לנתח את ההשפעות של הגדלת רמות המתח.
הם גילו שההשפעות משפרות בצורה דרמטית את מבנה המתכת, ויוצרות גרגרי קריסטל רק ננומטרים לרוחב. הם גם צפו בתהליך התגבשות מחדש שנעזר ב-"nanotwinning" - וריאציה של תופעה ידועה במתכות הנקראת תאומים, שבה נוצר סוג מסוים של פגם כאשר חלק ממבנה הגביש הופך את הכיוון שלו.
Schuh ועמיתיו הבחינו שככל ששיעורי ההשפעה גבוהים יותר, כך התרחשה ננו-זכייה בתדירות גבוהה יותר. זה מוביל לדגנים קטנים יותר מתמיד, כאשר ה"תאומים" ננומטריים מתפרקים לגרגירי קריסטל חדשים, הם אומרים. התהליך עשוי להגביר את חוזק המתכת בערך בפקטור של 10, דבר ש-Schuh מתאר כלא זניח.
הבנה מכניסטית טובה יותר
Schuh מתאר את התוצאה של הצוות כהרחבה של אפקט ידוע שנקרא התקשות שמגיע ממכות פטיש בחישול מתכת רגיל. "ההשפעה שלנו היא סוג של תופעה מסוג היפר-זיוף", הוא אומר. למרות שהתוצאה הגיונית בהקשר הזה, אומר שוה עולם הפיזיקה שזה יכול להוביל להבנה מכניסטית טובה יותר של איך נוצרים מבני מתכת, מה שיקל על המהנדסים לתכנן תנאי עיבוד כדי לשלוט במבנים אלה. "המבנים הקטנים מאוד, בקנה מידה ננו, שצפינו בעבודתנו, מעניינים עבור החוזק הקיצוני שלהם, למשל", הוא אומר.
למה בהדרגה עושה את זה כדי למקסם את הכוח
לפי חבר הצוות אחמד טיאמייו, ניתן ליישם את הממצאים החדשים באופן ישיר לייצור מתכת בעולם האמיתי. "הגרפים המופקים מהעבודה הניסיונית צריכים להיות ישימים באופן כללי", הוא אומר. "אלה לא רק קווים היפותטיים."
במחקר, שמתפרסם ב חומרי טבע, החוקרים התמקדו בהבנת האבולוציה של מבנה מתכת במהלך פגיעה. זה יהיה מעניין לחקור מאפיינים אחרים, כמו איך הטמפרטורה סביב אתר פגיעה מתפתחת, הם אומרים. "אנחנו מנהלים עבודה בכיוון הזה עכשיו", מגלה שוה.
