Όταν σκεφτόμαστε τη μεταλλουργία, η εικόνα που μας έρχεται στο μυαλό είναι απλή: λιώνεις, αναμιγνύεις, ψύχεις, και το αποτέλεσμα είναι ένα κράμα όπου τα άτομα έχουν ανακατευτεί πλήρως. Αυτή η λογική φαίνεται να ανατρέπεται από μια νέα έρευνα του MIT, η οποία αποκάλυψε ότι τα μέταλλα δεν είναι τόσο «χαοτικά» όσο νομίζαμε. Κάτω από το μικροσκόπιο και πιο συγκεκριμένα, μέσα από εξαιρετικά λεπτομερείς προσομοιώσεις, κρύβονται αόρατα μοτίβα ατόμων που επιμένουν, ακόμη και μετά τις πιο ακραίες διαδικασίες παραγωγής.
Η μελέτη δείχνει ότι τα κράματα μετάλλων διατηρούν ένα είδος εσωτερικής τάξης. Αυτά τα μικροσκοπικά μοτίβα, γνωστά ως χημική τάξη μικρής εμβέλειας (SRO), καθορίζουν με τρόπο σχεδόν «προγραμματισμένο» πώς συμπεριφέρεται ένα υλικό όταν υπόκειται σε στρεβλώσεις, τήξη ή ταχεία ψύξη. Με άλλα λόγια, εκεί που η επιστήμη θεωρούσε ότι η ατομική δομή των μετάλλων χάνεται μέσα στη θερμότητα και την πίεση, φαίνεται ότι μένει κάτι πίσω: μια μνήμη, ένα αποτύπωμα οργάνωσης σε ατομικό επίπεδο.
«Αυτή είναι η πρώτη μελέτη που αποδεικνύει την ύπαρξη αυτών των μη-ισορροπημένων καταστάσεων που παραμένουν μέσα στο μέταλλο», εξηγεί ο Rodrigo Freitas, επιστήμονας υλικών στο MIT. «Μέχρι σήμερα, δεν δίνουμε σημασία ή δεν ελέγχουμε αυτή τη χημική τάξη κατά την παραγωγή μετάλλων. Αλλά φαίνεται πως θα έπρεπε».
Για να αποκαλύψουν αυτά τα μοτίβα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένες υπολογιστικές προσομοιώσεις, οι οποίες χαρτογράφησαν τις αλληλεπιδράσεις εκατομμυρίων ατόμων μέσα σε ένα κράμα από χρώμιο, κοβάλτιο και νικέλιο (CrCoNi), ένα υλικό γνωστό για τη μεγάλη ανθεκτικότητά του. Οι προσομοιώσεις αναπαρήγαγαν τις έντονες δυνάμεις που υφίσταται το μέταλλο στη βιομηχανική παραγωγή: από απότομη ψύξη μέχρι εκτεταμένη παραμόρφωση.
Το αποτέλεσμα; Τα άτομα δεν ανακατεύονται πλήρως, όπως θα περίμενε κανείς. Αντίθετα, σχηματίζουν μοτίβα, μερικά γνωστά από παλαιότερες θεωρίες και κάποια εντελώς νέα, τα οποία οι ερευνητές ονόμασαν «καταστάσεις μακριά από την ισορροπία». Αυτές οι καταστάσεις είναι, όπως υποδηλώνει το όνομα, πολύ μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία, ωστόσο επιβιώνουν, και μάλιστα επηρεάζουν τη συμπεριφορά του μετάλλου.
Το κλειδί για την ύπαρξή τους φαίνεται να βρίσκεται στις ατέλειες, δηλαδή στις μικροσκοπικές «ρωγμές» που εμφανίζονται στη δομή των μετάλλων όταν αυτά θερμαίνονται, τεντώνονται ή ψύχονται. Αυτές οι ατέλειες λειτουργούν σαν ατομικές υπογραφές που επιτρέπουν στο μέταλλο να αντέχει στις πιέσεις. Μέχρι σήμερα πιστευόταν ότι οι διαδικασίες παραμόρφωσης εξαφάνιζαν κάθε ίχνος SRO, όμως το μοντέλο του MIT δείχνει το αντίθετο: οι ατέλειες φαίνεται να καθοδηγούν την αναδιοργάνωση των ατόμων με συγκεκριμένο τρόπο.
«Αυτές οι ατέλειες έχουν χημικές προτιμήσεις που καθορίζουν τον τρόπο που κινούνται», λέει ο Freitas. «Αναζητούν διαδρομές χαμηλής ενέργειας και όταν έχουν να επιλέξουν ποιοι δεσμοί θα σπάσουν, προτιμούν να “σπάνε” τους πιο αδύναμους. Δεν είναι καθόλου τυχαίο».
Το συμπέρασμα είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον: αυτά τα μοτίβα δεν υπάρχουν φυσικά στα μέταλλα, αλλά δημιουργούνται αποκλειστικά μέσα από τη διαδικασία παραγωγής. Και το γεγονός ότι μπορούν να επηρεάσουν μηχανικές ιδιότητες όπως η αντοχή, η σκληρότητα ή η ανοχή σε ακτινοβολία, ανοίγει νέους δρόμους για τον σχεδιασμό πιο «έξυπνων» υλικών. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η κατανόηση μπορεί να οδηγήσει σε μέταλλα με ιδιότητες ειδικά προσαρμοσμένες για απαιτητικά περιβάλλοντα, από πυρηνικούς αντιδραστήρες μέχρι διαστημικά σκάφη.
Η ανακάλυψη αυτή αλλάζει τη φιλοσοφία της ίδιας της μηχανικής των υλικών. Αν πράγματι, όπως λέει ο Freitas, «δεν μπορείς ποτέ να ανακατέψεις εντελώς τα άτομα μέσα σε ένα μέταλλο», τότε οι μηχανικοί δεν ελέγχουν απλώς τα μακροσκοπικά χαρακτηριστικά των μετάλλων, αλλά και τα μυστικά τους στο ατομικό επίπεδο.
Με άλλα λόγια, η «τυχαία» φύση των κραμάτων δεν είναι και τόσο τυχαία. Τα μέταλλα θυμούνται, οργανώνονται και επανασχηματίζονται με τρόπους που δεν μπορούσαμε να φανταστούμε πριν από λίγα χρόνια. Και μέσα σε αυτή τη νέα γνώση κρύβεται ένα είδος τεχνολογικής αλχημείας: η δυνατότητα να χειριστούμε την ύλη στην πιο θεμελιώδη της μορφή, όχι μόνο για να τη φτιάξουμε πιο δυνατή, αλλά και πιο έξυπνη.
[source]
