Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ και του Τεχνολογικού Ινστιτούτου του Ισραήλ (Technion) ανακάλυψαν τυχαία έναν νέο τρόπο αναδιάταξης της εσωτερικής δομής του μολυβδαινίου, ενός εξαιρετικά ανθεκτικού στη θερμότητα μετάλλου, σε θερμοκρασία δωματίου.
Το μολυβδαίνιο χρησιμοποιείται συνήθως για την ενίσχυση πυρηνικών αντιδραστήρων, πτερυγίων στροβίλων κινητήρων αεριωθούμενων και ακροφυσίων πυραύλων, επειδή δεν λιώνει μέχρι να θερμανθεί πάνω από τους 2.600°C (4.712°F). Ο έλεγχος της ατομικής δομής του σε θερμοκρασία δωματίου θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για περισσότερες εφαρμογές, μεταξύ των οποίων και οι ημιαγωγοί επόμενης γενιάς.
Οι μηχανικοί διαπίστωσαν ότι η πίεση μιας λεπτής αιχμής διαμαντιού, λίγα νανόμετρα μέσα στο μολυβδαίνιο, μπορεί να αναδιαμορφώσει τους κρυστάλλους στο εσωτερικό του και να δώσει στο μέταλλο νέες ιδιότητες. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ (PNAS), εξέπληξαν τους ερευνητές.
Ένα ευτυχές ατύχημα
«Είχαμε την υπόθεση ότι η εφαρμογή ακραίας πίεσης στο μολυβδαίνιο θα το έκανε να μετατραπεί σε μια νέα στερεή φάση», λέει η αναπληρώτρια καθηγήτρια Νιάζ Αμπντολραχίμ από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Ρότσεστερ. «Βρήκαμε όμως αυτό το ενδιαφέρον φαινόμενο ενός εντελώς διαφορετικού μηχανισμού που οδηγείται από την τάση».
Η αλλαγή του σχήματος, του προσανατολισμού και του μεγέθους των κρυσταλλικών κόκκων επαναπροσδιορίζει τη συμπεριφορά ενός υλικού και επηρεάζει χαρακτηριστικά όπως η αντοχή και η ελατότητά του. Κανονικά, οι κρυσταλλικοί κόκκοι του μολυβδαινίου δεν μπορούν να αλλάξουν, δηλαδή να ανακρυσταλλωθούν, μέχρι να θερμανθεί περίπου στους 1.000°C (1.832°F).
Ένα μικροσκοπικό και βαθμονομημένο εργαλείο
Μέσα από πειράματα και μοντελοποίηση σε υπολογιστή, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το μολυβδαίνιο μπορεί να ανακρυσταλλωθεί σε θερμοκρασία δωματίου με τη χρήση ενός μικροσκοπικού, βαθμονομημένου εργαλείου που ονομάζεται νανοεντυπωτής και διαθέτει αιχμή διαμαντιού, η οποία χρησιμοποιείται για τη δοκιμή των ιδιοτήτων των υλικών. Η ανακρυστάλλωση απαιτεί ωστόσο ακρίβεια. Μια μικρή δύναμη από τον νανοεντυπωτή δημιουργεί ακραία πίεση, που κάνει την αιχμή του διαμαντιού να διαπερνά την επιφάνεια του μετάλλου με μια γρήγορη κίνηση γνωστή ως «pop-in». Η είσοδος σε αυτή τη φάση προκαλεί την ανακρυστάλλωση του μετάλλου. Αν όμως εφαρμοστεί υπερβολική πίεση και ξεπεραστεί η φάση pop-in, οι νέοι κόκκοι εξαφανίζονται.
Η χειροκίνητη διακοπή της δοκιμής αμέσως μετά το γεγονός pop-in προκαλεί ανακρυστάλλωση σε μια μικροσκοπική περιοχή γύρω από το βαθούλωμα που αφήνεται στο υλικό. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η τεχνική μπορεί να φανεί χρήσιμη για την αποκατάσταση ελαττωμάτων μέσα σε ένα μεγαλύτερο δείγμα μολυβδαινίου, αλλάζοντας τις ιδιότητες της ελαττωματικής περιοχής στην επιθυμητή κατάσταση χωρίς να επηρεάζεται το υπόλοιπο δείγμα.
«Σήμερα, αν έχεις ένα κατεστραμμένο δείγμα, για να το επιδιορθώσεις ή να σχηματίσεις νέους κόκκους, πρέπει να θερμάνεις ολόκληρο το δείγμα στους 1.000°C (1.832°F) ή και παραπάνω», λέει ο Αφνάν Μουσταφά, υποψήφιος διδάκτορας μηχανολογίας στο εργαστήριο της Αμπντολραχίμ. «Εδώ δείχνουμε ότι δεν χρειάζεται να θερμάνεις ολόκληρο το δείγμα. Χρειάζεται απλώς να ξέρεις πού να πιέσεις, πόσο και πότε να σταματήσεις».