Aktuální číslo:

2018/2

Téma měsíce:

Bionika

Kovový krystal jako superkritická tekutina

Výzkum unikátních slitin v Ústavu termomechaniky AV ČR
 |  6. 11. 2017
 |  Vesmír 96, 653, 2017/11
komerční prezentace

Již od poloviny devatenáctého století je známo, že nad určitou teplotou nelze vodní páru žádným přetlakem zcela zkapalnit, a naopak že pro velmi vysoké tlaky nelze ohřevem dosáhnout varu vody. Ve fázovém diagramu vody a vodní páry totiž existuje takzvaný kritický bod, za kterým již není možné od sebe odlišit přehřátou kapalinu a podchlazenou vodní páru – přechod mezi oběma fázemi je spojitý, bez vzniku kapek při ochlazování nebo naopak bublinek páry při ohřevu. Superkritické chování bylo od té doby pozorováno pro mnoho tekutin a našlo i řadu praktických využití: například superkritický oxid uhličitý je používán pro úpravu kávových zrnek při výrobě bezkofeinové kávy.

Donedávna panovalo přesvědčení, že superkritického stavu lze dosáhnout pouze pro skupenské přechody mezi kapalinou a plynem. Pro strukturní transformace v pevné fázi, tedy transformace, při kterých se mění pouze struktura krystalové mřížky, nebylo superkritické chování dlouho experimentálně pozorováno. Přitom tyto transformace jsou z technologického hlediska velmi významné – jsou zodpovědné třeba za prokalení obráběcích nástrojů, za biomechanickou kompatibilitu titanových implantátů nebo za unikátní vlastnosti takzvaných slitin s tvarovou pamětí.

Mezinárodnímu vědeckému týmu pod vedením profesora Takashiho Fukudy z Ósacké univerzity v Japonsku se však v posledních několika letech podařilo prokázat, že superkritické transformace probíhají ve speciálních slitinách železa s platinou (Fe-Pt) a železa s paladiem (Fe-Pd), které byly v Ósace vyvinuty. Zatímco první z těchto slitin vykazuje superkritické chování pouze při hluboce kryogenních teplotách pod bodem varu dusíku, v té druhé je unikátní jev možno pozorovat přímo při pokojové teplotě. A jak se superkritický stav ve slitině vlastně projevuje? Krystaly všech známých kovů a slitin lze silovým zatížením vratně (tedy elasticky) deformovat pouze o přibližně jedno procento, neboť při vyšším zatížení už dochází k plastizaci materiálu nebo vzniku fázových rozhraní či defektů. Pro slitiny Fe-Pt a Fe-Pd je elastická mez posunuta až na šestinásobek – to by po zavedení podobných slitin do praxe umožnilo výrazně rozšířit hranice technologické využitelnosti kovových součástek a konstrukcí.

Součástí týmu zkoumajícího vlastnosti slitiny Fe-Pd jsou také vědci z Ústavu termomechaniky AV ČR. Ti zjišťují pomocí laserů a ultrazvukových vln, jak se při superkritickém chování vyvíjejí moduly pružnosti krystalů této slitiny, a tím pádem i stabilita kovových vazeb v její struktuře. To umožňuje podrobněji pochopit základní fyzikální principy superkritického chování. Dvě fáze, mezi kterými slitina spojitě přechází, jsou charakterizovány dvěma různými krystalovými mřížkami: jedna je krychlová (kubická), ta druhá čtyřhranná (tetragonální), protažená vůči té krychlové ve dvou směrech, a v tom třetím naopak zkrácená, přičemž objem základní buňky krystalu je v obou případech stejný. Stejně jako se molekuly vody nad kritickým bodem od sebe při ohřívání postupně vzdalují, a kapalina tak spojitě přechází v páru, i atomy železa a paladia ve zkoumané slitině se pod vnějším zatížením spojitě přesouvají mezi polohami charakteristickými pro krychlovou mřížku a polohami charakteristickými pro mřížku čtyřhrannou. Některé vazby jsou při tom z mechanického hlediska oslabovány a jiné posilovány; které vazby to jsou a jak výraznými změnami procházejí, odhalují právě ultrazvuková měření. Dílčí výsledky této studie byly v loňském roce publikovány v prestižním časopise Acta Materialia a prezentovány na řadě významných mezinárodních konferencí.

V současnosti se vědci z ÚT AV ČR zaměřují také na hledání superkritických jevů v dalších slitinách, zejména v komerčně široce využívané slitině niklu s titanem, která je za normálních podmínek využívána jako slitina s tvarovou pamětí. Za zvýšených teplot a pod mechanickým zatížením však vykazuje chování naznačující blízkost kritického bodu. Tento výzkum, stejně jako výzkum na slitinách Fe-Pd, probíhá v rámci široké mezinárodní spolupráce na téma strukturních fázových transformací v kovech, na které se kromě ÚT AV ČR podílí z České republiky také Fyzikální ústav AV ČR, Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy a Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze.

Ústav termomechanicky AV ČR, v. v. i.

Dolejškova 1402/5, 182 00 Praha 8-Libeň

tel. (ústředna): 266 053 022, fax: 286 584 695

www.it.cas.cz

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyzika pevné fáze, Fyzika

O autorovi

Hanuš Seiner

 

Doporučujeme

Návrat Široka

Návrat Široka

Pavel Pipek  |  9. 2. 2018
Zpráva, která na mě právě vyskočila na Twitteru, by asi většinu Evropanů nechala chladnou, ale mé srdce buší tak, že mám chuť okamžitě vyskočit z...
Rytíř našich vod

Rytíř našich vod

Marek Janáč  |  5. 2. 2018
Na stěně ve své kanceláři má vystavené krunýře velkých raků. Za jeho pracovní židlí v akváriu rak. V knihovně knihy o racích a v laboratoři ve...
O kvantových počítačích a šifře RSA

O kvantových počítačích a šifře RSA uzamčeno

Jiří Poš  |  5. 2. 2018
značným příslibem pro výpočetní systémy budoucnosti je rozvíjející se obor kvantových počítačů. Představují naději, že eliminují některá vážná...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné