Kovové sklo odhaluje svá tajemství

Kovové sklo je dosud nejméně probádaným druhem materiálu. Jeho vlastnosti jsou natolik odlišné od krystalických kovů, že zůstává nejasné, co přesně je způsobuje. Nyní se vědcům podařilo proniknout hlouběji do struktury kovového skla.

Zcela rozdílná struktura

Kov ve skelném stavu je něco zcela odlišného od běžných krystalických kovů. Obvykle jsou atomy v kovech uspořádány do pravidelné mřížky, jejíž druh ovlivňuje výsledné mechanické vlastnosti. Kovové sklo žádnou mřížku nemá. Roztavený kov je ochlazen takovou rychlostí, že se jeho atomy nestihnou přeskupit do krystalické mřížky, ale zůstanou v podstatě tam, kde jsou. Mohli bychom o amorfním kovovém skle uvažovat jako o velmi husté podchlazené kapaliny a do nedávna jsme to i dělali. Zjistilo se však, že ve všech amorfních materiálech existuje pravidelnost uspořádání atomů na krátkou vzdálenost – několik atomových poloměrů. Takže nyní říkáme, že krystalické látky jsou uspořádané na velkou vzdálenost a amorfní na malou. Vědci se nyní zaměřili na neprobádanou uspořádanost amorfních kovů.

Uspořádání kovového skla

Vědci na několika univerzitách zkoumali vlastnosti vzorků z kovového skla metodou difrakce (rozptylu) paprsků rentgenového záření a absorbce rentgenového záření. Numerickými metodami analyzovali poměry při rychlém ochlazování. Zjistili, že atomy se uspořádavají do shluků po sedmi až patnácti atomech okolo centrálního atomu a vytvářejí tvar nazývaný Kasperův mnohostěn. Mnohostěny jsou navzájem spojeny jinými shluky atomů. Také se podařilo zjistit, že při deformaci vznikají v materiálu prostory s nižší hustotou atomů, což je důležité pro pochopení mechanizmu plastické deformace.

Obtíže výroby

Teprve v roce 2004 se podařilo vyrobit kovové sklo v rozměru několika centimetrů – tedy použitelné pro výrobu větších konstrukcí. Obtíže spočívájí v nutnosti rychlého ochlazení materiálu, aby nedošklo ke krystalizaci. Vědci to řeší vhodnými přísadami k základnímu kovu, kterým bývá často železo nebo hliník. Nutnou ochlazovací rychlost snižuje yttrium, kterého je ve slitině s železem 44 %, kromě toho jsou přítomny malá množství bŕo, uhlíku, chromu, kobaltu, molybdenu a manganu. Jiným způsobem umožnění výroby kovového skla je výroba malých kapiček taveniny, které jsme schopni ochladit dostatečně rychle (v závislosti na materiálu to mohou být až milióny °C za sekundu). Kapičky skla poté spečeme dohromady. Nemám informace o tom, že by se tato technologie používala pro jiné sklo než z oxidu hlinitého.

Rozdílné vlastnosti

Atomová struktura kovového skla; červěně označeny oblasti s nižší hustotou atomů po deformaci
Credit: Johns Hopkins University

Vlastnosti kovového skla jsou velmi odlišné od běžných kovů. Je například asi třikrát pevnější, ani železné sklo není magnetické, někdy dokonale průhledné, obvykle však není, ale velmi zvláštní jsou jeho deformační vlastnosti. Pro ukázku se uvádí, že kulička kovového skla dokáže po pevném povrchu "hopsat" nejméně třikrát déle než z jakýchkoliv jiných materiálů. To ukazuje na to, že elastické deformace se odehrávají téměř bez energetických ztrát. Mechanizmy deformace jsou zatím nepoznané. Nejedná se o krystalickou látku, a tak teorie běžně užívaná teorie dislokací zde nemá smysl. O plastické deformaci se mi nepodařilo nic zjistit kromě toho, že materiál je křehký a při ohřevu se stává stejně snadno tvárným jako běžné křemičité sklo. Z dostupných zdrojů jsem se také nedověděl, zda je kovové sklo elektricky vodivé; pokud ano, tak jistě výrazně méně než krystalické kovy.

Materiál budoucnosti

Kovová skla se v dohledné budoucnosti dostanou do centra pozornosti materiálových inženýrů. Nabízí se jejich pohádková využití zejména v konstrukcích pro letecký a kosmický průmysl. Amorfní slitina hliníku je dvakrát pevnější než vysokopevnostní titanová slitina. Spolu s tím, že za tepla ji lze snadno tvářet a pravděpodobně také svařovat, je to ideální letecký konstrukční materiál. Navíc jeho chování při ohřevu za letu je snadno předvidatelné, protože nedochází k fázové přeměně (změna krystalické mřížky). Nepodařilo se mi zjistit závislost mechanických vlastností na teplotě, ale předpokládám, že kovové sklo bude také velmi vhodné pro vysoce tepelně namáhané lopatky proudových motorů. Třeba nakonec bude 21. století stoletím kovového skla místo nanotechnologií. Prvních použití se dočkala již dnes např. na MP3 přehrávači jako ochrana proti poškrábání.

Další informace

• Glassy Steel – Článek o výrobě skelné oceli "ve velkém"
• Amorphous Aluminum Alloys—Synthesis and Stability (březen 2002) – Amorfní slitiny hliníku – syntéza a stabilita – studie na toto téma
• Liquidmetal Technologies – web výrobce hliníkové amorfní slitiny