Paradoksas, kuris tebina: karštis gali padėti metalui atlaikyti smūgį

Iki šiol buvo manoma, kad jei norima metalą sulenkti ar deformuoti jo nesuskeliant, pakanka jį pakaitinti. Šiluma suteikia atomams daugiau energijos, todėl jie lengviau slysta vieni pro kitus, o medžiaga tampa plastiškesnė.

Kalviai šiuo principu naudojosi dar nuo geležies amžiaus, stebėdami raudonai įkaitusios žaizdrės švytėjimą. Klasikinė metalurgija aiškino, kad aukštesnė temperatūra palengvina atomų judėjimą ir mažina metalo atsparumą deformacijai.

Tačiau JAV Šiaurės Vakarų universiteto inžinierių komanda šį pamatinį supratimą užginčijo. Žurnale „Physical Review Letters“ paskelbtame tyrime mokslininkai atskleidė, kad esant ekstremalioms, itin didelio greičio sąlygoms šiluma gali ne minkštinti, o priešingai – kietinti grynuosius metalus.

„Vienas pagrindinių metalurgijos principų teigia, kad kaitinamas metalas suminkštėja. Tai yra metalurgija 101. Tačiau mes nustatėme, kad jei pakaitinsime gryną metalą ir bandysime jį deformuoti itin dideliu greičiu, viskas apsiverčia – metalas sukietėja ir priešinasi deformacijai“, – teigė tyrimo pirmasis autorius Chrisas Schuhas.

Įprastomis sąlygomis šiluma iš tiesų palengvina atomų judėjimą, todėl metalas tampa elastingesnis ir lengviau formuojamas. Tačiau šis dėsningumas nebegalioja esant ultraaukšto greičio deformacijai, kai procesai vyksta mikrosekundžių dalimis.

Eksperimentams mokslininkai pasitelkė mikrobalistinę sistemą, kuri mikroskopines daleles šaudė į metalų paviršius šimtais metrų per sekundę greičiu. Smūgiai buvo tokie intensyvūs, kad metalas akimirksniu patirdavo milžinišką tempimą – iki 100 milijonų procentų pradinio ilgio per sekundę.

Tokiose sąlygose fizikiniai procesai vyksta taip greitai, kad klasikinės teorijos nebegali jų paaiškinti. „Per kelias sekundes, per kurias trunka automobilio susidūrimas, galėtume atlikti beveik milijardą tokių eksperimentų. Tai tūkstančiu kartų greičiau nei mirktelėjimas“, – aiškino Schuhas.

Tyrimas parodė aiškų skirtumą tarp grynų metalų ir lydinių. Kai temperatūra pakildavo iki maždaug 155 °C, gryni metalai, tokie kaip nikelis ar auksas, demonstravo neįprastą kietėjimą. Tuo tarpu net ir nedaug legiruoti metalai elgėsi pagal įprastą taisyklę – kuo aukštesnė temperatūra, tuo jie minkštesni.

Šio reiškinio paaiškinimas slypi atomų virpėjime. Esant itin greitiems smūgiams atomai pradeda taip intensyviai virpėti, kad jų judėjimas ima trukdyti deformacijos plitimui. Tarsi mikroskopinis gynybos mechanizmas, šie virpesiai sukuria pasipriešinimą išorinei jėgai.

Didėjant temperatūrai, atomų virpesiai stiprėja ir sukuria dar chaotiškesnę, bet atsparesnę struktūrą. Paradoksalu, tačiau būtent šis chaosas leidžia metalui tapti kietesniam esant ekstremalioms apkrovoms.

„Jei labai greitai smogžiame grynam metalui, verčiame atomus judėti greičiau, nei jie natūraliai linkę. Todėl jie priešinasi ir stumia atgal – iš čia kyla jų stiprumas“, – teigė Schuhas.

Vis dėlto šis efektas pasireiškia tik itin grynuose metaluose. Tyrėjai nustatė, kad pridėjus vos apie 0,3 procento kito elemento, kietėjimo reiškinys išnyksta. Lydiniuose priemaišos veikia kaip kliūtys, kurias šiluma padeda atomams įveikti, todėl metalas elgiasi pagal tradicinį modelį.

Šis atradimas gali turėti reikšmingų pasekmių kuriant naujas medžiagas. Į grynumą pradėjus žvelgti kaip į atskirą konstrukcinį parametrą, atsiveria galimybės projektuoti metalus, skirtus ekstremalioms sąlygoms – nuo hipergarsinių orlaivių iki kosminių konstrukcijų.

Pavyzdžiui, ateityje galėtų būti kuriamos apsauginės sistemos, kurių paviršiai sąmoningai įkaista, kad smūgio metu sukietėtų ir geriau atlaikytų mikrometeoritų ar kitų didelio greičio dalelių poveikį. Tai rodo, kad net ir seniausios mokslo taisyklės gali būti perrašytos, kai pažvelgiama į reiškinius nauju kampu.

Kopijuoti, platinti, skelbti ELTA turinį be ELTA raštiško sutikimo draudžiama.