Co to jest szkło metaliczne? - Ashwini Bharathula

Cała lekcja dostępna na: http://ed.ted.com/lessons/what-is-metallic-glass-ashwini-bharathula

Stal i plastik są niezbędne w znacznej części naszej infrastruktury i technologii. Stal jest mocna i twarda, ale trudna do kształtowania. Plastik może przyjąć każdą formę, ale jest nietrwały i miękki. Czy nie byłoby lepiej, gdyby istniał jeden materiał tak mocny jak najtwardsza stal i tak łatwy do kształtowania jak plastik? Ashwini Bharathula omawia przyszłość szkła metalicznego.

Lekcja: Ashwini Bharathula, animacja: Tinmouse Animation Studio.

Stal i plastik.

Te dwa materiały są niezbędne
w naszej infrastrukturze i technologii,

a do tego mają uzupełniają się
mocnymi i słabymi stronami.

Stal jest mocna i twarda,

ale trudna do kształtowania.

Plastik może przyjmować każdą formę,

ale jest nietrwały i miękki.

Czy nie byłoby miło,
gdyby istniał jeden materiał,

tak mocny jak najtwardsza stal

i tak łatwy do kształtowania jak plastik?

Wielu naukowców i technologów

żywo interesuje nowy wynalazek:
szkło metaliczne,

które posiada obie właściwości,
a nawet więcej.

Szkło metaliczne wygląda
lśniąco i matowo jak metal,

i podobnie jak metal
przewodzi ciepło i elektryczność.

Jednak jest mocniejsze
niż większość metali,

co oznacza, że może
znieść duży nacisk

bez zgięć czy zgnieceń,

dzięki czemu nadaje się
na super-ostre skalpele

i mocne obudowy dla elektroniki,

zawiasy,

śruby;

lista cały czas się zwiększa.

Szkło metaliczne ma także
niezwykłe zdolności

do przechowywania i uwalniania
energii sprężystości,

przez co świetnie nadaje się
na sprzęt sportowy,

jak rakiety tenisowe,

kije golfowe

i narty.

Są odporne na rdzę

i można je odlewać w skomplikowanych
kształtach z lustrzaną powierzchnią,

wszystko na jednym etapie.

Mimo ich wytrzymałości
w temperaturze pokojowej,

w temperaturze wyższej
o kilkaset stopni Celsjusza

zaczną znacząco mięknąć

i można je formować w dowolny kształt.

Po ostudzeniu

znów odzyskują trwałość.

Skąd pochodzą te nadzwyczajne atrybuty?

Zasadniczo mają związek ze strukturą
atomową szkła metalicznego.

W postaci stałej
większość metali jest krystaliczna.

Dlatego w dużym powiększeniu
widać pojedyncze atomy

starannie uszeregowane
w zorganizowany i powtarzalny schemat,

który poszerza się w całym materiale.

Lód jest krystaliczny,

tak samo jak diamenty

i sól.

Po odpowiednim podgrzaniu i roztopieniu

ich atomy będą swobodnie drgać
i przemieszczać się losowo,

ale po ponownym ochłodzeniu

atomy same się poprzestawiają

z powrotem w formę krystaliczną.

A gdyby dało się schłodzić
roztopiony metal tak szybko,

że atomy nie zdążyłyby
znaleźć swojego miejsca,

przez co materiał byłby stały,

ale z chaotyczną, płynną
strukturą wewnętrzną?

Takie właśnie jest szkło metaliczne.

Struktura posiada dodatkowy zaletę:
brak jej ziarnistych granic,

które posiada większość metali.

Są to słabe punkty, gdzie materiał
jest bardziej podatny na zarysowania

lub korozję.

Pierwsze szkło metaliczne powstało
w 1960 roku z połączenia złota i silikonu.

Stworzenie tego nie było łatwe.

Ponieważ atomy metalu
szybko się krystalizują,

naukowcy musieli chłodzić
stop metalu niewiarygodnie szybko,

milion stopni Kelvina na sekundę,

strzelając kropelkami stopu
na zimne arkusze miedzi

lub wypuszczając go cieniutkimi wstążkami.

Szkło metaliczne miało wtedy grubość
poniżej tysiąca mikronów,

więc były zbyt cienkie
do praktycznego stosowania.

Jednak naukowcy odkryli już,

że jeżeli zmiesza się kilka metali,
które mieszają się swobodnie,

ale nie umieją się razem krystalizować,

zwykle dlatego, że mają
inny promień atomowy,

mikstura krystalizuje się dużo wolniej.

Oznacza to, że nie trzeba
chłodzić ich tak szybko,

więc materiał może być grubszy,

liczony w centymetrach,
a nie mikrometrach.

Materiały te nazwano ładunkiem
szkła metalicznego lub BMG.

Dzisiaj istnieje wiele różnych BMG,

więc czemu nie robi się z nich
wszystkich mostów i samochodów?

Większość BMG dostępna obecnie
na rynku jest tworzona z drogich metali,

takich jak pallad czy cyrkon,

koniecznie bez domieszek,

bo domieszki mogą powodować krystalizację.

Budowa wieżowca lub wahadłowca
z BMG byłaby astronomicznie droga.

Pomimo trwałości,

nie są wystarczająco twarde
dla struktur nośnych.

Gdy naprężenie wzrasta,
mogą pękać bez ostrzeżenia,

co nie jest idealnym rozwiązaniem
w przypadku mostu.

Jednak gdy naukowcy odkryją,
jak tworzyć BMG z tańszych metali

i jak je wzmocnić,

przed tymi materiałami

nie będzie ograniczeń.