Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα στη μηχανική των υλικών είναι ότι η μεγάλη αντοχή συνήθως έχει τίμημα: όσο πιο σκληρό και ισχυρό είναι ένα υλικό, τόσο πιο εύκολα μπορεί να γίνει εύθραυστο.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου Purdue στις ΗΠΑ υποστηρίζουν τώρα ότι κατάφεραν να ξεπεράσουν σε σημαντικό βαθμό αυτό το εμπόδιο, δημιουργώντας ένα κράμα που είναι πολύ ισχυρότερο από το δομικό ατσάλι και ταυτόχρονα μπορεί να παραμορφώνεται χωρίς να θρυμματίζεται.
Το υλικό βασίζεται σε ένα κράμα κοβαλτίου και αλουμινίου, γνωστό ως CoAl. Ανήκει σε μια κατηγορία μεταλλικών υλικών που ονομάζονται διαμεταλλικές ενώσεις και είναι γνωστές για την εξαιρετική αντοχή τους, ιδιαίτερα σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό τις καθιστά ελκυστικές για απαιτητικές εφαρμογές, όπως κινητήρες αεροσκαφών, τουρμπίνες και ενεργειακά συστήματα, αναφέρει το Science Daily.
Υπάρχει όμως ένα σοβαρό μειονέκτημα: πολλά τέτοια υλικά είναι πολύ εύθραυστα σε θερμοκρασία δωματίου. Μπορούν δηλαδή να αντέξουν τεράστιες δυνάμεις, αλλά όταν ξεπεραστεί ένα όριο, αντί να λυγίσουν όπως ένα συνηθισμένο μέταλλο, σπάνε.
Οι «απαραίτητες» ατέλειες
Η ομάδα του Purdue, σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Science Advances, βρήκε έναν τρόπο να αλλάξει αυτή τη συμπεριφορά. Οι επιστήμονες επενέβησαν στην εσωτερική δομή του κράματος σε εξαιρετικά μικρή κλίμακα, δημιουργώντας ένα είδος «εύκαμπτου δικτύου» ανάμεσα στα επιμέρους στρώματα του υλικού.
Purdue University
Με απλά λόγια, εισήγαγαν εσκεμμένα μικροσκοπικές ατέλειες εκεί όπου τα άτομα κανονικά θα ήταν τοποθετημένα σε απόλυτη τάξη. Αυτές οι ατέλειες, που σε πρώτη ματιά θα μπορούσαν να θεωρηθούν αδυναμία, λειτουργούν στην πραγματικότητα σαν βαλβίδες ασφαλείας: επιτρέπουν στο υλικό να υποχωρεί ελεγχόμενα όταν δέχεται μεγάλες πιέσεις, αντί να σπάει απότομα.
Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό. Στις δοκιμές, το νέο υλικό παρουσίασε αντοχή περίπου έξι έως δέκα φορές μεγαλύτερη από εκείνη του υψηλής αντοχής δομικού ατσαλιού. Παράλληλα μπορούσε να υποστεί σημαντική παραμόρφωση σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς να διαρραγεί.
Αυτός ο συνδυασμός είναι που ενδιαφέρει ιδιαίτερα τους μηχανικούς. Ένα εξαιρετικά ισχυρό αλλά εύθραυστο μέταλλο έχει περιορισμένες πρακτικές χρήσεις, επειδή είναι δύσκολο να διαμορφωθεί και μπορεί να παρουσιάσει αιφνίδια αστοχία. Αντίθετα, ένα υλικό που αντέχει τεράστια φορτία αλλά έχει και την ικανότητα να «δίνει» λίγο πριν σπάσει μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολύ πιο απαιτητικές κατασκευές.
Οι ερευνητές αναφέρουν ως χαρακτηριστικό παράδειγμα τα πτερύγια των αεροπορικών τουρμπίνων. Ισχυρότερα και πιο ανθεκτικά υλικά θα μπορούσαν θεωρητικά να επιτρέψουν σε έναν κινητήρα να λειτουργεί σε υψηλότερες ταχύτητες και να αντέχει μεγαλύτερες φυγόκεντρες δυνάμεις, βελτιώνοντας τις επιδόσεις του.
Σε πολύ λεπτές στρώσεις
Η νέα προσέγγιση διαφέρει επίσης από την παραδοσιακή παραγωγή μετάλλων με χύτευση. Οι επιστήμονες κατασκεύασαν το υλικό σε πολύ λεπτές στρώσεις, με μια τεχνική κατά την οποία τα στοιχεία του κράματος εναποτίθενται από ατμό πάνω σε μια επιφάνεια. Έτσι μπόρεσαν να ελέγξουν πολύ πιο αποτελεσματικά την εσωτερική του δομή.
Προς το παρόν, πάντως, πρόκειται για εργαστηριακό υλικό και όχι για ένα νέο μέταλλο έτοιμο να αντικαταστήσει το ατσάλι σε γέφυρες, αυτοκίνητα ή αεροσκάφη. Το επόμενο μεγάλο βήμα είναι να διαπιστωθεί αν η ίδια τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί σε πολύ μεγαλύτερα κομμάτια και να γίνει οικονομικά βιώσιμη για μαζική παραγωγή.
Η ομάδα σχεδιάζει επίσης να δοκιμάσει την ιδέα σε άλλα κράματα. Αν αποδειχθεί ότι η μέθοδος λειτουργεί ευρύτερα, θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για μια νέα γενιά υλικών που συνδυάζουν δύο χαρακτηριστικά τα οποία μέχρι σήμερα δύσκολα συνυπήρχαν: εξαιρετικά μεγάλη αντοχή και αρκετή ευκαμψία ώστε να μη σπάνε όταν πιέζονται στα όριά τους.
