Metalurgai įterpdavo nanodaleles į aliuminį norėdami gauti stiprų ir karščiui atsparų lydinį dar nuo brolių Raitų (Wright) pirmojo lėktuvo variklio laikų. Beje, jie nesuprato, kad naudoja nanodaleles. Procesas vadinamas kieto kūno nusodinimu. Tokių medžiagų, gautų nusodinimo proceso metu, stiprumas yra nulemtas nanodalelių dydžio, formos ir tolydumo bei jų atsparumo kaitinimui.
Metalurgai įterpdavo nanodaleles į aliuminį norėdami gauti stiprų ir karščiui atsparų lydinį dar nuo brolių Raitų (Wright) pirmojo lėktuvo variklio laikų. Beje, jie nesuprato, kad naudoja nanodaleles.
Procesas vadinamas kieto kūno nusodinimu. Proceso metu, kai lydinys yra greitai atšaldomas, lydinyje esantys metalo atomai migruoja kieto kūno matricoje ir susijungia, sudarydami po visą lydinį pasklidusias daleles, kurių matmenys sudaro tik kelias bilijonines metro dalis.
Tokių medžiagų, gautų nusodinimo proceso metu, stiprumas yra nulemtas nanodalelių dydžio, formos ir tolydumo bei jų atsparumo kaitinimui. Vienas toks lydinys, kuriame sėkmingai suderintos aliuminio, skandžio ir ličio savybės, pirmą kartą buvo pagamintas 2006 metais JAV Energijos departamento Lorenco Berklio nacionalinėje laboratorijoje. Mokslininkams vadovavo Velimiras Radmilovičius bei Ulrichas Dahmenas.
Šie mokslininkai kartu su kolegomis papildė medžiagos struktūros stebėjimus atominiame lygmenyje teoriniais skaičiavimais norėdami nustatyti kaip nanodalelės, sudarytos iš branduolių, kuriuose gausu skandžio atomų, bei aplink branduolius esančių sluoksnių, kuriuose dominuoja ličio atomai, pasiskirsto tolygiai per visą aliuminio matricą ir yra beveik vienodo dydžio.
„Naudodami TEAM mikroskopą, mes galėjome tirti šių nanodalelių branduolių bei išorinių sluoksnių struktūrą ir kaip nanodalelės suformuoja sferas, kurios yra beveik vienodo diametro, – pasakė Dahmenas, kuris yra Elektroninės mikroskopijos centro direktorius bei vienas iš autorių darbo, atspausdinto „Nature Materials“ žurnale. – Įdomiausia, kad šios dalelės nekeičia savo dydžio laikui bėgant, kas yra būdinga kitoms tokiu būdu sukurtoms dalelėms. Paprastai, mažos dalelės tampa dar mažesnėmis, o didelės dalelės didėja. Todėl, galiausiai, lydinys silpnėja. Tačiau mūsų stebėtos nanodalelės, sudarytos iš branduolių ir išorinių sluoksnių, nepasiduoda pokyčiams.“
Aliuminio lydinys ir jame esančios nanodalelės. Kai aliuminis yra sulydomas tam tikru santykiu su skandžiu bei ličiu, naudojant apibrėžtą apdirbimo karščiu režimą, aliuminyje susidaro nanodalelės, kurių branduoliai (tamsūs apskritimai) yra sudaryti iš aliuminio, skandžio ir ličio, o sluoksnius aplink branduolį sudaro aliuminio ir ličio atomai (šviesūs žiedai). Nors nanodalelių branduoliai ir sluoksniai skiriasi savo storiu, bet jų pačių matmenys nedaug skiriasi.
Sistemoje, kurioje dalyvauja aliuminio, skandžio ir ličio atomai, mokslininkai atrado, kad po pirmojo lydymo paprastas dviejų žingsnių kaitinimo procesas pirmiausia suformuoja branduolius, turtingus skandžio atomais, o paskui susidaro daug ličio turintys dalelių sluoksniai. Sferos pačios riboja jų didėjimą ir todėl jų matmenys beveik vienodi. Todėl gaunama lengva, potencialiai karščiui ir korozijai atspari medžiaga.
„Skandis yra vienas pagrindinių aliuminį stiprinančių medžiagų, – pasakė Radmilovičius, kuris taip pat yra Belgrado universiteto metalurgijos profesorius. – Pridėjus skandžio mažiau nei vieną procentą, labai pasikeičia įvairios medžiagos savybės.“ Kadangi skandis labai lėtai difunduoja kieto aliuminio matricoje, mišinys turi būti pakaitintas iki aukštos temperatūros, kad prasidėtų skandžio nusodinimas.
Litis yra lengviausias iš visų metalų. Tik vandenilis ir helis yra lengvesni. Jis lydiniui suteikia ne tik lengvumo, bet ir stiprumo. Litis difunduoja daug greičiau nei skandis ir prie mažesnių temperatūrų.
„Problema yra susijusi su ličio patalpinimu į lydinį, – pasakė Dahmenas, kuris ilgą laiką bendradarbiauja su Radmilovičiumi. – Reikia litį įtikinti, kad jis sudarytų pageidaujamą kristalinę struktūrą, tai yra L12.“
L12 vienetinė gardelė atitinka kubinę paviršiaus centruotą gardelę, kuri yra viena iš paprasčiausių ir didžiausia simetrija pasižyminčių kristalinių struktūrų. Atomai gardelėje užima kiekvieną įsivaizduojamo kubo kampą bei yra kubo plokštumų centruose. L12 struktūroje atomų, esančių kubo kampuose, rūšis gali skirtis nuo esančių kubo plokštumų centruose. Lydiniams tai viena stipriausių ir patvariausių struktūrų, nes atomams esant L12 gardelės vietose, juos sunku iš ten pajudinti.
Apatiniame kairiame kampe parodyta L12 struktūra. Aliuminio atomai yra pilkos spalvos, o skandžio bei ličio atomai – žalios spalvos. Nanodalelės struktūra matyti mikroskopo gautame vaizde. Atomų rūšis gali būti nustatyta apskaičiavus atomų ryškumą. Aliuminio matrica turi kubinę paviršiaus centruotą struktūrą. L12 struktūroje paviršiaus centruose taip pat randasi aliuminis. Tačiau nanodalelių branduoliuose (viršutinė dešinė paveikslėlio dalis) L12 struktūros kampuose gali būti aliuminio, ličio ir skandžio atomai. Išorinio sluoksnio L12 struktūros kampuose yra aliuminio ir ličio atomai.
Dahmenas paaiškino, kad tai buvo Radmilovičiaus mintis aliuminio lydinyje panaudoti skandį ir litį, bei kaitinti ir šaldyti medžiagą tam tikrais etapais. Šias mintis Radmilovičiui padiktavo didelė patirtis, gauta dirbant su aliuminio ir ličio bei aliuminio bei skandžio lydiniais bei gilus supratimas, kaip šių medžiagų atomai tarpusavyje sąveikauja. Jis numatė, kokiomis proporcijomis naudoti medžiagas pradiniame lydinyje ir kaip jas kaitinti bei vėsinti.
Proceso esmė buvo ličio panaudojimas kaip tam tikros rūšies katalizatoriaus, kuris paskatino skandį formuoti į nanodalelių branduolius. Sumaišius tris metalus, išlydžius ir greitai atšaldžius arba ataušinus, litis pasitarnauja vėsinant skandį, kuris ir kaupiasi nanodalelių branduoliuose. Mišinys turi būti kaitinamas iki keturių šimtų laipsnių Celsijaus apie aštuoniolika valandų, kad iš aliuminio, ličio ir skandžio susidarytų šie branduoliai. Branduolių matmenys yra apie devynių nanometrų diametro, bet jų dydis nėra vienodas.
Tada lydinys vėl pašildomas iki šimto devyniasdešimties Celsijaus laipsnių apie keturias valandas. Prie žemesnių temperatūrų skandis yra nejudrus, o lengvai judantis litis suformuoja išorinį sluoksnį apie daug skandžio turinčius branduolius. Viskas vyksta panašiai, kaip vanduo debesyse kristalizuojasi aplink dulkių daleles ir susidaro snaigės. Sluoksnių storis yra apie 10,5 nanometrų, bet, panašiai kaip su branduoliais, sluoksnių matmenys nėra vienodi.
Įdomiausia, kad esant didesniam branduoliui aplink jį susiformuoja plonesnis išorinis sluoksnis ir atvirkščiai: kuo mažesnis branduolys, tuo greičiau auga sluoksnis aplink jį. Branduolio dydis bei sluoksnių matmenys tarpusavyje antikoreliuoja, todėl gaunasi vienodo dydžio nanodalelės. Nanodalelių matmenys taip pat skiriasi, tačiau šie skirtumai yra žymiai mažesni nei branduoliams ar sluoksniams atskirai imant.
Branduolių ir sluoksnių, susidariusių aliuminyje, struktūra taip pat yra svarbi. Grynas aliuminis turi kubinę paviršiaus centruotą struktūrą ir ši struktūra atitinka L12 struktūrą, kuri sutinkama nanodalelių branduoliuose bei išoriniuose sluoksniuose. Dahmenas pasakė, kad skandžiu turtingi branduoliai įtikina litį sudaryti palankią L12 struktūrą.
Naudodami TEAM mikroskopą bei specialų vaizdavimo metodą, mokslininkai pažvelgė į atomų išsidėstymą lydinyje. L12 struktūra pasireiškia tarpusavyje susijusiais kvadratais, kuriuose keturi atomai randasi kampuose ir penki atomų stulpeliai susiformavę plokštumų centruose.
Gryname aliuminyje visi mikroskopu matomi taškai yra vienodo ryškumo. Tačiau nanodalelių išoriniuose sluoksniuose bei branduoliuose kubo kampus bei plokštumų centrus atitinkantys atomų stulpeliai yra skirtingo šviesumo. Plokštumų centruose randasi aliuminis, o kampuose gali būti įvairūs atomai. Didelės skiriamosios galios TEAM mikroskopu gautus vaizdus papildžius duomenimis, kurie gauti kitais eksperimentiniais metodais, buvo įmanoma nustatyti, kokie atomai yra kiekviename stulpelyje.
Mokslininkų grupės nariai Kolinas Ofusas (Colin Ophus) bei Markas Asta galėjo sumodeliuoti ličio daromą efektą skandžio nusodinimui, dėl kurio prasideda branduolių formavimasis. Teorinis modelis leido suprasti, kodėl nusodinimas yra tolygus ir stabilus.
Radmilovičius pasakė, kad Kolinas ir Markas parodė, kad litis bei skandis vienas kitą mėgsta. Jų skaičiavimai atskleidė, kad naudojant aliuminio stulpelius kaip standartą, galima apskaičiuoti skandžio ir aliuminio ryškio intensyvumą. Išoriniuose sluoksniuose kubo kampuose daugiausia matomas aliuminis, o ličio tėra apie dešimt procentų. Tuo tarpu nanodalelių branduoliuose visi trys metalai sutinkami gardelės kampuose.
Nežiūrint to, kad aliuminio, skandžio ir ličio lydinys gali būti labai naudingas įvairiose pramonės srityse, tačiau tokio lydinio panaudojimą riboja retai gamtoje sutinkamo skandžio kaina, kuri šiuo metu viršija aukso kainą apie dešimt kartų. Mokslininkai, suprasdami, kaip lydinys įgavo tokias nuostabias savybes, tikisi sukurti kitas medžiagas panaudodami branduolio ir sluoksnių nusodinimo būdą.
