Zespół z University of Michigan wykorzystał unikalne możliwości Europejskiego Laboratorium Promieniowania Synchrotronowego we Francji. Dzięki temu po raz pierwszy w historii udało się zajrzeć w trójwymiarze do wnętrza stopów magnezu podczas ich odkształcania.
Pierwszy trójwymiarowy widok deformacji magnezu
Kluczem okazała się technika mikroskopii rentgenowskiej w ciemnym polu. Pozwoliła badaczom obserwować w czasie rzeczywistym powstawanie struktur zwanych bliźniakami deformacyjnymi. Te mikroskopijne formacje krystaliczne są kluczowe dla zrozumienia, dlaczego magnez pod obciążeniem zachowuje się nieprzewidywalnie. Badacze uzyskali bezprecedensowe obrazy procesów zachodzących w materiale, które pomagają mu absorbować naprężenia bez pękania.
Czytaj także: Zbliżyli się do fundamentalnego limitu magnezu. Nagle zaczął wykazywać niesamowite właściwości
Podczas eksperymentu próbkę stopu magnezu poddano trzem różnym poziomom naprężeń typowych dla części samochodowych: 0,6, 30 oraz 45 megapaskali. Dzięki silnemu promieniowaniu rentgenowskiemu naukowcy mogli śledzić zmiany w strukturze krystalicznej bez uszkadzania materiału. Doktorant Sangwon Lee opisał to doświadczenie jako możliwość obserwacji powstawania bliźniaków z pierwszej ręki – dosłownie po raz pierwszy widząc na własne oczy, jak te struktury powstają i ewoluują.
Magnez w motoryzacji
Atrakcyjność magnezu dla przemysłu motoryzacyjnego bierze się z jego fundamentalnej zalety: jest o 30% lżejszy od aluminium. W czasach, gdy producenci samochodów desperacko szukają oszczędności każdego kilograma, by poprawić efektywność paliwową, ten materiał wydaje się idealnym rozwiązaniem. Problem jednak w jego krystalicznej strukturze, która zasadniczo różni się od stali czy aluminium. Magnez jest zaskakująco nieelastyczny, co utrudnia rozciąganie bez ryzyka pękania – stąd jego marginalne zastosowanie w elementach nośnych, mimo oczywistych zalet wagowych.
Gdy stopy magnezu napotykają naprężenia w kierunkach uniemożliwiających naturalny poślizg krystaliczny, aktywują swój wewnętrzny mechanizm obronny. Tworzą wspomniane bliźniaki deformacyjne – mikroskopijne struktury pozwalające na rozciąganie w większej liczbie kierunków. Zjawisko to zwiększa plastyczność materiału, ale ma swoją ciemną stronę: bardzo szybko dochodzi do kumulowania się defektów i ostatecznie do pękania. Dotychczasowe ograniczenia wykorzystywanych przez naukowców metod obrazowania= uniemożliwiały pełne zrozumienie tego procesu.
Przełomowe obserwacje
Najważniejsze odkrycie zespołu dotyczy spójnego wzorca w zachowaniu materiału. Okazało się, że wszystkie trzy typy bliźniaków formowały się w potrójnych złączach – miejscach, gdzie stykają się trzy kryształy. Co więcej, defekty zawsze pojawiały się dokładnie tam, gdzie bliźniak stykał się z sąsiednim kryształem. Ta powtarzalność może być kluczem do przyszłego wykorzystania magnezu. Gdy inżynierowie będą dokładnie wiedzieć, gdzie powstają słabe punkty materiału, będą mogli projektować części minimalizujące ryzyko awarii. Ashley Bucsek, współautorka badania, podkreśla, że właśnie ta konsekwencja w zachowaniu materiału może pomóc w optymalizacji trwałości magnezu w wymagających zastosowaniach przemysłowych.
Czytaj także: Magnez wspiera codzienne funkcjonowanie naszego organizmu. Teraz także w czekoladzie!
Zespół planuje teraz skupić się na jeszcze bardziej ambitnym celu: rejestrowaniu zmian w stopach magnezu w czasie rzeczywistym podczas działania naprężeń. To kolejny krok ku pełnemu zrozumieniu zachowania tego materiału. Prace finansowane przez Departament Energii USA w ramach Center for Predictive Integrated Structural Materials Science zostały już opublikowane w prestiżowym periodyku Science, co potwierdza ich znaczenie dla światowej nauki o materiałach.
Gdyby udało się przełożyć te odkrycia na praktykę przemysłową, moglibyśmy wkrótce jeździć znacznie lżejszymi samochodami. To oznaczałoby nie tylko niższe koszty paliwa dla kierowców, ale też realny krok w redukcji emisji CO2 z transportu. Potencjał jest ogromny, choć na ostateczne efekty przyjdzie nam jeszcze poczekać.