Kovový krystal jako superkritická tekutina

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.