Επιστήμη Υλικών

Οι μεταλλουργοί εδώ και καιρό ανυπομονούν να έρθει η στιγμή που θα κάθονται μπροστά από έναν υπολογιστή, θα εισάγουν τον χημικό τύπο ενός καινούργιου κράματος, θα βλέπουν επί της οθόνης πώς λειτουργεί, και κατόπιν θα πηγαίνουν στο εργαστήριο να παρασκευάσουν μια ποσότητά του. Στην ιδανική αυτή περίπτωση, η συγκεκριμένη ψηφιακή μέθοδος ανάπτυξης θα αντικαθιστούσε την κοπιαστική διαδικασία «δοκιμής και λάθους» η οποία χρονολογείται από την εποχή που οι αλχημιστές του Μεσαίωνα αποπειράθηκαν για πρώτη φορά να μετατρέψουν τα βασικά μέταλλα σε χρυσό.

Πρόσφατα, από την Ιαπωνία διαδόθηκε η είδηση πως επίκειται σύντομα μια τέτοια εξέλιξη. Ερευνητές των Κεντρικών Εργαστηρίων Έρευνας και Ανάπτυξης της Τοyota, στην πόλη Ναγκακούτα, αναφέρουν ότι προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα και εργαλεία οδήγησαν κατευθείαν στην επινόηση μιας νέας κατηγορίας κραμάτων βασισμένων στο τιτάνιο.

Σύμφωνα με τον Takashi Saito και τους συνεργάτες του, τα σημερινά γομμώδη μεταλλικά κράματα της Toyota είναι ανθεκτικά, σκληρά και σταθερά στην επίδραση της θερμοκρασίας, ενώ επιπλέον επιδεικνύουν αξιοθαύμαστο βαθμό ελαστικότητας και πλαστικότητας για περιοχή θερμοκρασιών που κυμαίνεται από τους -200 ώς τους 300C. Το υλικό αυτό μπορεί να εφελκύεται κατά αρκετά μεγάλο ποσοστό του αρχικού του μήκους και να επιστρέφει ξανά και ξανά σε αυτό έπειτα από επανειλημμένες επιμηκύνσεις. Αντίθετα, το πιο γνωστό κράμα που διατηρεί μνήμη του αρχικού του σχήματος, αυτό του νικελίου-τιτανίου, το οποίο επίσης επιδεικνύει αυτή την υπερελαστικότητα, σύντομα γίνεται άτεγκτο και εύθραυστο ύστερα από συχνές παραμορφώσεις.

Αν και αρχικά προορίζονταν για ελατήρια αυτοκινήτων, φλάντζες, τσιμούχες και τα όμοια, αυτές οι κατοχυρωμένες με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μεταλλικές συνθέσεις κοστίζουν πάρα πολύ, τόσο που χρησιμοποιούνται μόνο για εξειδικευμένες και εξαιρετικά ποιοτικές εφαρμογές, όπως για μικροκοχλίες, σκελετούς γυαλιών με δυνατότητα επαναφοράς του αρχικού σχήματος (βρίσκονται στο στάδιο παραγωγής), ιατρικά εμφυτεύματα και καθετήρες, ελατήρια υψηλής αντοχής στη θερμότητα προοριζόμενα για διαστημόπλοια, ακόμη και για μπαστούνια του γκολφ για χτυπήματα μεγάλων αποστάσεων.

Τα γομμώδη μεταλλικά κράματα —συντιθέμενα από τιτάνιο, ταντάλιο, νιόβιο, ζιρκόνιο και μερικές φορές από βανάδιο με ελάχιστη προσθήκη οξυγόνου για διόγκωση— στερεοποιούνται σε πλινθώματα (ράβδους) υπό υψηλή θερμοκρασία και πίεση, χωρίς όμως τήξη. Οι εντυπωσιακές φυσικές τους ιδιότητες εμφανίζονται, όπως αναφέρει ο Saito, μετά από δραστική επεξεργασία εν ψυχρώ, κατά την οποία το μέταλλο αναγκάζεται να μπει σε καλούπι υπό θερμοκρασία δωματίου.

Κατά τη σχεδίαση του κράματος, η ομάδα της Toyota βελτιστοποίησε τρεις κβαντικές ιδιότητες. Η πρώτη αφορούσε το πόσους δεσμούς σχηματίζουν τα άτομα των μετάλλων με τους γείτονές τους. Οι άλλες σχετίζονταν με την ισχύ των δεσμών μεταξύ των ατόμων και το βαθμό έλξης μεταξύ των εξωτερικών ηλεκτρονίων και των γειτονικών τους ατόμων. Ένας συνδυασμός από υπολογισμούς, ψηφιακά μοντέλα και πειράματα μέσω υπολογιστών οδήγησαν στις συνταγές με τους τελικούς χημικούς τύπους.

Το ενδιαφέρον αρκετών ειδικών επί του τιτανίου στις ΗΠΑ έχει διεγερθεί αρκετά, όμως ακόμα δεν έχουν πειστεί από τις εξηγήσεις των επινοητών του κράματος αναφορικά με τη συμπεριφορά του καθώς και τη θεωρία που εκθέτουν για να την υποστηρίξουν. «Η ερευνητική ομάδα του Saito έχει εξαιρετική φήμη στο πεδίο» επισημαίνει ο Daniel Eylon, μηχανικός των υλικών στο Πανεπιστήμιο του Ντέιτον, όμως, «όλοι έχουμε γίνει μάρτυρες παρόμοιων ισχυρισμών που εισάγουν νέες θεωρίες περί πλαστικών μεταλλικών παραμορφώσεων και οι οποίες αργότερα αποδεικνύονται λανθασμένες. Οι μεταλλουργοί θα πρέπει να έχουν περισσότερα αποτελέσματα προτού πειστούμε πως η δουλειά τους είναι πραγματικά σημαντική. Και αν αποδειχθεί ότι είναι, τότε όλοι μας θα αποκτήσουμε μερικές νέες γνώσεις στη φυσική».

Επιστημονικά Νέα - Οκτώβριος, 2003