เมื่อเหล็กกล้า อะลูมิเนียม และโลหะหรือโลหะผสมอื่นๆ ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายผ่านกระบวนการทางอุตสาหกรรม เช่น การตัดเฉือน การรีด และการตีขึ้นรูป โครงสร้างระดับนาโนของพวกมันจะผ่านการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก กระบวนการผลิตที่รวดเร็วเป็นพิเศษทำให้ยากต่อการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เนื่องจากความเร็วที่แท้จริงและขนาดที่เล็กซึ่งเกิดขึ้น แต่นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ในสหรัฐอเมริกาได้ประสบความสำเร็จในการทำสิ่งนั้นแล้ว โดยระบุว่าสิ่งใด เกิดขึ้นเมื่อเม็ดคริสตัลก่อตัวขึ้นในโลหะภายใต้การเสียรูปที่รุนแรงในระดับนาโน งานของพวกเขาสามารถช่วยในการพัฒนาโครงสร้างโลหะด้วยคุณสมบัติที่ดีขึ้น เช่น ความแข็งและความเหนียว
โดยทั่วไป ยิ่งเม็ดคริสตัลเหล่านี้มีขนาดเล็กเท่าไร โลหะก็จะยิ่งแข็งแกร่งและแข็งแกร่งมากขึ้นเท่านั้น นักโลหะวิทยามักจะพยายามลดขนาดเกรนโดยวางโลหะไว้ใต้ความเครียด หนึ่งในเทคนิคหลักที่พวกเขาใช้ในการทำเช่นนี้คือการตกผลึกใหม่ ซึ่งโลหะจะถูกเปลี่ยนรูปด้วยความเครียดสูงและให้ความร้อนเพื่อผลิตผลึกที่ละเอียดขึ้น ในกรณีที่รุนแรง กระบวนการนี้สามารถผลิตธัญพืชที่มีขนาดระดับนาโนได้
“ไม่ใช่แค่ความอยากรู้อยากเห็นในห้องปฏิบัติการ”
ทีมงานของ MIT ที่นำโดย Christopher Schuh ได้พิจารณาแล้วว่ากระบวนการขนาดเล็กที่มีความเร็วสูงนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร พวกเขาทำสิ่งนี้โดยใช้เลเซอร์ยิงอนุภาคขนาดเล็กของโลหะทองแดงลงบนโลหะด้วยความเร็วเหนือเสียง และสังเกตสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคกระทบกับโลหะนั้น Schuh ชี้ให้เห็นว่าความเร็วสูงดังกล่าว “ไม่ใช่แค่ความอยากรู้อยากเห็นในห้องปฏิบัติการ” กับกระบวนการทางอุตสาหกรรม เช่น การตัดเฉือนด้วยความเร็วสูง การกัดผงโลหะพลังงานสูง และวิธีการเคลือบที่เรียกว่าการพ่นด้วยความเย็นล้วนเกิดขึ้นในอัตราที่ใกล้เคียงกัน
“เราได้พยายามทำความเข้าใจกระบวนการตกผลึกซ้ำภายใต้อัตราที่สูงมาก” เขาอธิบาย “เนื่องจากอัตราที่สูงมาก จึงไม่มีใครสามารถขุดค้นและดูกระบวนการนั้นอย่างเป็นระบบมาก่อน”
ในการทดลอง นักวิจัยได้เปลี่ยนแปลงความเร็วและความแรงของผลกระทบ จากนั้นจึงศึกษาบริเวณที่ได้รับผลกระทบโดยใช้วิธีการทางกล้องจุลทรรศน์ระดับนาโนขั้นสูง เช่น การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนแบบกระจายกลับ และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแบบส่องกราด วิธีการนี้ทำให้พวกเขาวิเคราะห์ผลกระทบของระดับความเครียดที่เพิ่มขึ้น
พวกเขาพบว่าผลกระทบทำให้โครงสร้างของโลหะดีขึ้นอย่างมาก ทำให้เกิดเม็ดคริสตัลที่มีขนาดเพียงนาโนเมตร พวกเขายังสังเกตกระบวนการตกผลึกใหม่ซึ่งได้รับความช่วยเหลือจาก "นาโนวินนิ่ง" ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่รู้จักกันดีในโลหะที่เรียกว่า การจับคู่ ซึ่งข้อบกพร่องเฉพาะจะก่อตัวขึ้นเมื่อส่วนหนึ่งของโครงสร้างผลึกพลิกทิศทาง
Schuh และเพื่อนร่วมงานสังเกตว่ายิ่งอัตราผลกระทบสูงเท่าไร สิ่งนี้นำไปสู่ธัญพืชที่เล็กลงเรื่อย ๆ เมื่อ "ฝาแฝด" ระดับนาโนแตกตัวเป็นผลึกคริสตัลใหม่ กระบวนการนี้สามารถเพิ่มความแข็งแรงของโลหะได้ประมาณ 10 เท่า ซึ่ง Schuh อธิบายว่าเป็นสิ่งที่ไม่สำคัญ
ความเข้าใจกลไกที่ดีขึ้น
Schuh อธิบายผลลัพธ์ของทีมว่าเป็นส่วนขยายของเอฟเฟกต์ที่เรียกว่าการชุบแข็งที่มาจากการทุบด้วยค้อนในการตีขึ้นรูปโลหะธรรมดา “เอฟเฟกต์ของเราเป็นปรากฏการณ์แบบไฮเปอร์ฟอร์จ” เขากล่าว แม้ว่าผลลัพธ์จะสมเหตุสมผลในบริบทนั้น แต่ Schuh บอก โลกฟิสิกส์ มันสามารถนำไปสู่ความเข้าใจกลไกที่ดีขึ้นว่าโครงสร้างโลหะก่อตัวอย่างไร ทำให้วิศวกรสามารถออกแบบเงื่อนไขการประมวลผลเพื่อควบคุมโครงสร้างเหล่านี้ได้ง่ายขึ้น “โครงสร้างระดับนาโนที่มีขนาดเล็กมากที่เราสังเกตเห็นในงานของเรานั้นน่าสนใจสำหรับความแข็งแกร่งที่สูงมากของพวกมัน” เขากล่าว
ค่อยๆ ทำไปทำไม เพื่อเพิ่มพลังให้ถึงขีดสุด
ตามที่สมาชิกในทีม อาเหม็ด ตีอามิยูการค้นพบใหม่นี้สามารถนำไปใช้โดยตรงกับการผลิตโลหะในโลกแห่งความเป็นจริงได้ทันที “กราฟที่ได้จากงานทดลองควรจะนำไปใช้ได้โดยทั่วไป” เขากล่าว “มันไม่ใช่แค่เส้นสมมุติ”
ในการศึกษาซึ่งตีพิมพ์ใน วัสดุธรรมชาตินักวิจัยมุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจวิวัฒนาการของโครงสร้างของโลหะระหว่างการกระแทก เป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะศึกษาคุณลักษณะอื่นๆ เช่น อุณหภูมิรอบๆ จุดปะทะมีวิวัฒนาการอย่างไร พวกเขากล่าว “เรากำลังดำเนินงานในทิศทางนี้” Schuh เผย
