Od lat 50. XX wieku naukowcy wiedzieli, że w stopach metali mogą występować subtelne wzory chemiczne, czyli lokalne układy atomów tworzące tzw. porządek krótkiego zasięgu (short-range order). Zakładano jednak, że w trakcie przemysłowej obróbki – walcowania, topienia, rozciągania czy kucia – te struktury znikają, a atomy rozmieszczają się całkowicie losowo. Badania opublikowane w Nature Communications przez zespół z Massachusetts Institute of Technology (MIT) pokazują, że to nieprawda.
Czytaj też: Koniec ery metalowych anten radiowych. Polacy stworzyli urządzenie zasilane tylko światłem
Okazuje się, że nawet po najbardziej intensywnym przetwarzaniu w metalach pozostają ukryte, uporządkowane wzory atomowe. Ten nieintuicyjny wynik oznacza, że procesy przemysłowe nie są w stanie całkowicie “wymieszać” metalu – a jego atomy kierują się zasadami, których dotąd nie brano pod uwagę.
Defekty, które tworzą porządek metali
Zespół Rodrigo Freitasa postanowił sprawdzić, jak szybko mieszają się pierwiastki chemiczne podczas produkcji metali. Użyto do tego symulacji komputerowych z wykorzystaniem uczenia maszynowego, które pozwoliły śledzić ruchy milionów atomów w warunkach odpowiadających rzeczywistym procesom przemysłowym.
Czytaj też: Czarny metal odmieni energetykę słoneczną. Nawet 15 razy wyższa moc niż dotychczas
Naukowcy spodziewali się, że po serii deformacji i podgrzewania metalu jego struktura stanie się całkowicie chaotyczna. Ku ich zaskoczeniu, nawet po wielokrotnym walcowaniu i rekrystalizacji atomy wciąż układały się w charakterystyczne, powtarzalne wzory. Co więcej, pojawiły się zupełnie nowe typy uporządkowania – takie, których nigdy wcześniej nie obserwowano.
To właśnie ten moment Freitas określa jako przełom: badacze uświadomili sobie, że odkryli nowy mechanizm fizyczny rządzący zachowaniem metali. Zjawisko to nazwano stanami dalekimi od równowagi (far-from-equilibrium states), ponieważ struktury atomowe, które powstają podczas obróbki, utrzymują się mimo dążenia układu do chaotycznej równowagi.
Jak to możliwe, że intensywne procesy deformacji – teoretycznie prowadzące do chaosu – sprzyjają powstawaniu uporządkowania? Kluczową rolę odgrywają tzw. dyslokacje, czyli trójwymiarowe “linie błędów” w strukturze krystalicznej metalu. To one, przemieszczając się w trakcie obróbki, popychają atomy do reorganizacji.
Zespół MIT wykazał, że dyslokacje nie działają przypadkowo – mają “preferencje chemiczne”. Wolą zrywać najsłabsze wiązania, co prowadzi do powtarzalnych wzorców atomowych. Efekt przypomina spontaniczne porządkowanie się cegieł w ruinach budowli, którą teoretycznie zburzono do podstaw.
Rodrigo Freitas mówi:
To fascynujące, bo mamy do czynienia ze stanami nieosiągalnymi w naturze. Tak, jak organizm człowieka utrzymuje równowagę cieplną mimo zmieniającego się otoczenia, tak metal zachowuje subtelny stan porządku, choć zewnętrzne siły próbują go zniszczyć.
Aby dokładniej zrozumieć zjawisko, naukowcy opracowali prosty model opisujący, jak chemiczne wzory powstają w wyniku ruchu dyslokacji. Model potwierdził obserwacje z symulacji i pozwolił przewidywać, jakie wzory atomowe pojawią się w danym typie stopu i przy jakiej temperaturze.
To odkrycie ma ogromne znaczenie praktyczne. Po raz pierwszy inżynierowie mogą świadomie wykorzystywać “chemiczny porządek” w metalach, by modyfikować ich właściwości: zwiększać wytrzymałość, odporność na promieniowanie, stabilność termiczną czy zdolność do katalizy. Dla przemysłu lotniczego, półprzewodnikowego czy jądrowego to szansa na tworzenie stopów, które łączą lekkość z niezwykłą trwałością.
Freitas zauważa, że do tej pory badania nad lokalnym uporządkowaniem atomów były domeną czystej nauki. Teraz jednak powstała swoista “mapa” pokazująca, jak różne etapy przetwarzania metalu wpływają na jego strukturę. Dzięki niej inżynierowie będą mogli projektować nowe materiały nie intuicyjnie, lecz z pomocą przewidywalnych modeli fizycznych.
Zespół MIT planuje teraz sprawdzić, jak powszechne są te “ukryte wzory” w różnych klasach metali i stopów. Ich odkrycie może mieć znaczenie również dla badań nad katalizą, przewodnictwem cieplnym i elektrycznym oraz odpornością na promieniowanie – właściwościami kluczowymi w reaktorach jądrowych czy elektronice przyszłości.