Metallerin İçinde Gizli Olan Gizli Atomik Desenler Keşfedildi

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden (MIT) araştırmacılar tarafından yürütülen bu çalışma, üretim sırasında metallerin özelliklerini kontrol etmenin yeni yollarını açma potansiyeline sahip.

Yakın zamanda yapılan laboratuvar çalışmaları, metal alaşımlarda malzemenin mekanik dayanıklılığını, sağlamlığını ve radyasyon toleransını artırmak için ayarlanabilen ince kalıplar (örüntüler) tespit etti. Bu yeni çalışma ise, bu kalıpların – ve bazı yeni olanların – yoğun işlem sonrasında bile nasıl ortaya çıktığını ve kalıcı hale geldiğini simülasyonlar yoluyla ortaya koyuyor

“Bu, metallerde korunan bu denge dışı durumları gösteren ilk makale,” diyor MIT malzeme bilimcisi Rodrigo Freitas.

“Şu anda, bu kimyasal düzeni üretim sırasında ne kontrol ediyoruz ne de buna dikkat ediyoruz.”

Bu yeni bulguları anlamak, metal alaşımlarının fiziğine aşina değilseniz biraz zor olabilir, ancak araştırmacıların bu çalışmada incelediği kimyasal kısa menzilli düzen (SRO), metal alaşımlarında atomların nasıl dizildiğini ifade ediyor.

Ekip, krom, kobalt ve nikelden (CrCoNi) oluşan bir alaşımda milyonlarca atomun etkileşimlerini izlemek için ayrıntılı bilgisayar simülasyonları gerçekleştirdi. Bu simülasyonlar, üretimde yaygın olarak kullanılan yoğun şekillendirme süreçlerini – özellikle hızlı soğutma ve kapsamlı germe işlemlerini – kapsıyordu.

Öncelikle araştırmacılar, bu kadar hızlı deformasyonlardan sonra bile bozulmadan kalması beklenmeyen tanıdık atomik kalıplar gördüler. İkinci olarak, tamamen yeni kalıplar keşfettiler ve bunlara “denge durumundan çok uzak hâller” (far-from-equilibrium states) adını verdiler.

Modellerin gösterdiğine göre, bu hâllerin korunmasında metalin kristal yapısında oluşan kusurlar (veya dislokasyonlar) çok önemliydi. Bu kusurlar, metal ısıtılıp soğutulurken veya gerilirken oluşuyor; adeta atom ölçeğinde karalamalar gibi davranıyorlar ve metalin üzerine uygulanan zorlanmayı absorbe etmeye yardımcı oluyorlar.

Daha önce, deformasyonların ve buna bağlı olarak kusurların hareketinin SRO’yu büyük ölçüde yok ettiği düşünülüyordu. Ancak araştırmacıların yürüttüğü modeller, atomların aslında belli bir öngörülebilir düzende yer değiştirdiğini gösterdi.

“Bu kusurlar, hareket ederken kimyasal tercihlere sahip. Düşük enerjili yolları arıyorlar; yani kimyasal bağları koparmak durumunda kaldıklarında, en zayıf olanları koparma eğilimindeler ve bu tamamen rastgele değil,” diyor Freitas.

“Bu çok heyecan verici çünkü bu bir denge dışı durum: malzemelerde doğal olarak gördüğümüz bir şey değil.”

Başka bir deyişle, bu yeni keşfedilen kalıplar yalnızca üretim süreçleri sayesinde ortaya çıkıyor. Daha sonra da metalin çeşitli özelliklerini etkiliyorlar – ki bu da gelecekteki çalışmaların daha ayrıntılı inceleyebileceği bir konu.

Burada yer alan fizik oldukça ileri düzeyde olsa da, sonuçta şu anlama geliyor: metal alaşımlarının özelliklerini, daha önce düşünülmemiş şekillerde ince ayarlarla kontrol etmek mümkün olabilir. Bu da nükleer reaktörlerden uzay araçlarına kadar birçok alanda önemli etkiler yaratabilir – çünkü metal atomları tamamen karıştırılamıyor

“Sonuç şu: Bir metaldeki atomları asla tamamen rastgele hale getiremezsiniz. Nasıl işlerseniz işleyin fark etmez,” diyor Freitas.

“Bir şeyi tamamen karıştıramayacağınız gerçeğini kimse beklemiyordu.”

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.