technika
Autor: Jarosław Chrostowski | dodano: 2012-09-26
Metale z przyszłości

Płynny metal może być twardszy od tytanu i wcale nie musi mieć temperatury pieca hutniczego. Przeciwnie – służy chłodzeniu procesorów! Czy coś tu przeczy zdrowemu rozsądkowi? Oczywiście! Winę za nieporozumienia ponosi Hollywood.  

Płynny metal robi ostatnio zawrotną karierę. Z pewnością duża w tym zasługa niemal niezniszczalnego robota T-1000, z którym Arnold Schwarzenegger walczył w „Terminatorze 2”. Film odniósł sukces kasowy i spopularyzował mit płynnego metalu jako materiału kojarzącego się z niezwykle zaawansowaną technologią. W efekcie coraz częściej czytamy o płynnych metalach, przy czym termin ten jest używany w odniesieniu do diametralnie różnych materiałów i zjawisk fizycznych. Najczęściej dotyczy metali i ich stopów o obniżonej temperaturze topnienia, ale bywa też stosowany wobec metali o budowie amorficznej. Przyjrzyjmy się najpierw tym pierwszym.

Renesans ciekłości
Przez wieki jedynym znanym metalem płynnym w temperaturze pokojowej była rtęć. Ale nie ma ona monopolu na ciekłość w warunkach normalnych. Konkurentem jest choćby 31. pierwiastek układu okresowego, srebrzystoniebieski gal, który (podobnie jak woda), przechodząc do stanu stałego, zwiększa objętość. Ważniejsze jest jednak to, że temperatura topnienia galu wynosi zaledwie 29,78 °C, a jego stopów z innymi pierwiastkami, np. indem lub cyną, jest jeszcze niższa: nawet –20 °C.

Ciekły metal w życiu codziennym wydaje się nie mieć zastosowań. Okazuje się jednak, że można go z powodzeniem wykorzystać do chłodzenia procesorów. W 2004 roku producent sprzętu komputerowego Sapphire zaprezentował karty graficzne RADEON X850 XT Platinum Edition z układem chłodzącym teksańskiej firmy Nano- Coolers. Substancją czynną był odpowiednio dobrany nietoksyczny stop galu o składzie pozostającym tajemnicą producenta. Gal wrze dopiero w temperaturze 2204 °C. Ogromne przewodnictwo cieplne, 65 razy większe niż wody, pozwala skutecznie obniżyć temperaturę procesora nawet o kilkadziesiąt stopni.

Ponieważ w układzie chłodzącym przemieszcza się metal, do uzyskania przepływu nie trzeba stosować pomp mechanicznych. Wystarczy  pole magnetyczne. Przepływ wywołuje siła Lorentza (pojawia się, gdy w przewodniku umieszczonym w polu magnetycznym płynie prąd). Przez umieszczoną między magnesami stałymi rurkę z ciekłym metalem przepuszcza się więc prąd stały, co wystarcza do wprawienia cieczy w ruch. Wymianę ciepła z otoczeniem zapewniają radiatory. Jest i dodatkowa zaleta – dzięki wyeliminowaniu wentylatorów oraz ruchomych części w pompach układ chłodzący mniej hałasuje.

Metaliczne szkło
Z kolei najważniejsze cechy „płynnego metalu” firmy Liquidmetal Technologies nie wynikają z jego temperatury topnienia, lecz z budowy wewnętrznej. Zwykły metal ma dobrze określoną strukturę charakterystyczną dla ciał stałych. Jego atomy tworzą sieć krystaliczną: są ułożone periodycznie, w uporządkowany sposób i znajdują się w stałych odległościach od siebie. Jednak utrzymanie precyzyjnego porządku w tak rozległych przestrzennie obiektach jak te, z którymi spotykamy się na co dzień, nie jest możliwe. W praktyce metale składają się więc z wielu niezwiązanych ze sobą fragmentów sieci krystalicznych – ziaren.

Odległości rozdzielające jednorodne fragmenty struktur krystalicznych mają kluczowe znaczenie dla twardości i wytrzymałości mechanicznej metalu: to one są winne zmniejszonej sprężystości, pęknięciom i korozji. Dla odmiany w fazie ciekłej o żadnym uporządkowaniu nie może być mowy. Atomy są rozmieszczone chaotycznie. Na szczęście niekiedy przyrodę można oszukać. Podczas krzepnięcia – zwłaszcza gdy przebiega gwałtownie lub zachodzi w odpowiednio dobranych stopach – zdarza się, że atomy nie zdążą utworzyć sieci krystalicznych. Atomowy chaos zostaje utrwalony. Powstaje substancja amorficzna:: ciało stałe, bowiem poszczególne atomy utrzymują stałe położenie w przestrzeni, ale i ciecz – ze względu na chaotyczną strukturę wewnętrzną.

Charakterystyczną cechą tego typu materiałów jest ich zdolność do ciągłego i odwracalnego przejścia ze stanu stałego w ciekły pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia.

Materiał dla Supermana
Najbardziej znaną substancją bezpostaciową jest zwykłe szkło. Do tej samej kategorii zalicza się także wspomniany produkt firmy Liquidmetal Technologies. W zasadzie powinniśmy więc mówić o metalicznym szkle lub amorficznym metalu (bezkształtnym, gdyż pozbawionym struktur krystalicznych), płynny metal to jedynie metafora. Właściwości mechaniczne metalicznego szkła są wręcz nieprawdopodobne. Cechuje je elastyczność polimerów i twardość przewyższająca parametry najlepszych stopów tytanowych. Niekiedy – jak w przypadku wspomnianej substancji firmy Liquidmetal Technologies – w celu poprawienia pewnych właściwości (np. zmniejszenia kruchości materiału) stosuje się mieszaniny zawierające 20% struktur krystalicznych. W rezultacie „szklanej” folii grubości zwykłej kuchennej folii aluminiowej nie da się ani rozerwać rękami, ani przeciąć nożyczkami!

Ponieważ w strukturze amorficznej nie ma ziaren, które mogłyby się przesuwać, materiał niemal nie pochłania energii kinetycznej. Jeśli na płytę wykonaną z metalicznego szkła rzucimy metalowe kulki, będą się odbijać nawet dwie minuty – kilkakrotnie dłużej niż w przypadku najlepszych stopów tytanu. Ta niezwykła sprężystość sprawia, że metaliczne szkło coraz częściej można spotkać wszędzie tam, gdzie istotne jest przekazywanie energii, np. w rakietach tenisowych, kijach golfowych i bejsbolowych. Nie brakuje też zastosowań militarnych: płynny metal to świetny materiał na pocisk, który całą swoją energię przekaże celowi. Wojsko ma zresztą więcej powodów do zadowolenia. Niedawno udało się wytworzyć amorficzny stop węgla, żelaza i manganu. Taki stop nie ma własności magnetycznych, jest więc idealnym materiałem do budowy statków niewidzialnych dla radarów.

Metaliczne szkło charakteryzuje się stosunkowo małą gęstością, zwykle o kilkanaście procent mniejszą od klasycznych stopów metalowych. Ponadto można je spienić. W ten sposób wykonuje się elementy składające się w 99% z powietrza, a przy tym stukrotnie wytrzymalsze od analogicznych z polistyrenu. Metale amorficzne są także niezwykle odporne na korozję. Jednorodna struktura powoduje, że powierzchnia zewnętrzna jest wyjątkowo gładka: nierówności są o trzy rzędy wielkości mniejsze od występujących na powierzchni aluminium lub cynku. W rezultacie tlen i woda po prostu nie mają jak wniknąć do środka.

Droga pod strzechy
Doskonałe właściwości magnetyczne i mechaniczne powodują, że metale amorficzne znajdują coraz więcej zastosowań w przemyśle, głównie elektronicznym, energetycznym i lotniczym. Wykonuje się z nich narzędzia chirurgiczne, a nawet obudowy laptopów i komórek. Ale na większe upowszechnienie tych materiałów przyjdzie nam jeszcze poczekać. Dlaczego? Pierwsze metale amorficzne wytwarzano już na przełomie lat 50. i 60. ubiegłego wieku w procesach chłodzenia cyny i ołowiu z szybkością rzędu milionów kelwinów na sekundę.

Mimo wyrafinowanej technologii w California Institute of Technology uzyskiwano w ten sposób jedynie cienkie warstwy grubości nanometrów, na dodatek szybko krystalizujące w temperaturach pokojowych. Przełom nastąpił dopiero na początku lat 90., gdy japońscy naukowcy zaczęli stosować stopy metali. W ten sposób wytwarzano grubsze warstwy bez konieczności stosowania tak radykalnych zmian temperatur. Tempo schładzania spadło do 1–100 K/s, co znacząco obniżyło koszty. Mimo to do dzisiaj wytwarzanie metali amorficznych jest kilkadziesiąt razy droższe od produkcji zwykłej stali. Głównym czynnikiem hamującym karierę płynnych metali pozostaje więc prozaiczna cena.

Więcej w specjalnym wydaniu miesięcznika „Wiedza i Życie" nr 02/2010 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2019
10/2019
Kalendarium
Listopad
12

W 1901 r. włoski astronom Luigi Carnera odkrył planetoidę Caprera.
Warto przeczytać
Lubimy myśleć o sobie jako o istotach wyjątkowych - ale czy naprawdę coś różni nas od zwierząt? Przecież nasza biologia jest taka sama. W oryginalnej i intrygującej podróży po świecie ziemskiego życia Adam Rutherford bada rozmaite cechy, które uznawano niegdyś za wyłącznie ludzkie, wykazując, że wcale takimi nie są.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jarosław Chrostowski | dodano: 2012-09-26
Metale z przyszłości

Płynny metal może być twardszy od tytanu i wcale nie musi mieć temperatury pieca hutniczego. Przeciwnie – służy chłodzeniu procesorów! Czy coś tu przeczy zdrowemu rozsądkowi? Oczywiście! Winę za nieporozumienia ponosi Hollywood.  

Płynny metal robi ostatnio zawrotną karierę. Z pewnością duża w tym zasługa niemal niezniszczalnego robota T-1000, z którym Arnold Schwarzenegger walczył w „Terminatorze 2”. Film odniósł sukces kasowy i spopularyzował mit płynnego metalu jako materiału kojarzącego się z niezwykle zaawansowaną technologią. W efekcie coraz częściej czytamy o płynnych metalach, przy czym termin ten jest używany w odniesieniu do diametralnie różnych materiałów i zjawisk fizycznych. Najczęściej dotyczy metali i ich stopów o obniżonej temperaturze topnienia, ale bywa też stosowany wobec metali o budowie amorficznej. Przyjrzyjmy się najpierw tym pierwszym.

Renesans ciekłości
Przez wieki jedynym znanym metalem płynnym w temperaturze pokojowej była rtęć. Ale nie ma ona monopolu na ciekłość w warunkach normalnych. Konkurentem jest choćby 31. pierwiastek układu okresowego, srebrzystoniebieski gal, który (podobnie jak woda), przechodząc do stanu stałego, zwiększa objętość. Ważniejsze jest jednak to, że temperatura topnienia galu wynosi zaledwie 29,78 °C, a jego stopów z innymi pierwiastkami, np. indem lub cyną, jest jeszcze niższa: nawet –20 °C.

Ciekły metal w życiu codziennym wydaje się nie mieć zastosowań. Okazuje się jednak, że można go z powodzeniem wykorzystać do chłodzenia procesorów. W 2004 roku producent sprzętu komputerowego Sapphire zaprezentował karty graficzne RADEON X850 XT Platinum Edition z układem chłodzącym teksańskiej firmy Nano- Coolers. Substancją czynną był odpowiednio dobrany nietoksyczny stop galu o składzie pozostającym tajemnicą producenta. Gal wrze dopiero w temperaturze 2204 °C. Ogromne przewodnictwo cieplne, 65 razy większe niż wody, pozwala skutecznie obniżyć temperaturę procesora nawet o kilkadziesiąt stopni.

Ponieważ w układzie chłodzącym przemieszcza się metal, do uzyskania przepływu nie trzeba stosować pomp mechanicznych. Wystarczy  pole magnetyczne. Przepływ wywołuje siła Lorentza (pojawia się, gdy w przewodniku umieszczonym w polu magnetycznym płynie prąd). Przez umieszczoną między magnesami stałymi rurkę z ciekłym metalem przepuszcza się więc prąd stały, co wystarcza do wprawienia cieczy w ruch. Wymianę ciepła z otoczeniem zapewniają radiatory. Jest i dodatkowa zaleta – dzięki wyeliminowaniu wentylatorów oraz ruchomych części w pompach układ chłodzący mniej hałasuje.

Metaliczne szkło
Z kolei najważniejsze cechy „płynnego metalu” firmy Liquidmetal Technologies nie wynikają z jego temperatury topnienia, lecz z budowy wewnętrznej. Zwykły metal ma dobrze określoną strukturę charakterystyczną dla ciał stałych. Jego atomy tworzą sieć krystaliczną: są ułożone periodycznie, w uporządkowany sposób i znajdują się w stałych odległościach od siebie. Jednak utrzymanie precyzyjnego porządku w tak rozległych przestrzennie obiektach jak te, z którymi spotykamy się na co dzień, nie jest możliwe. W praktyce metale składają się więc z wielu niezwiązanych ze sobą fragmentów sieci krystalicznych – ziaren.

Odległości rozdzielające jednorodne fragmenty struktur krystalicznych mają kluczowe znaczenie dla twardości i wytrzymałości mechanicznej metalu: to one są winne zmniejszonej sprężystości, pęknięciom i korozji. Dla odmiany w fazie ciekłej o żadnym uporządkowaniu nie może być mowy. Atomy są rozmieszczone chaotycznie. Na szczęście niekiedy przyrodę można oszukać. Podczas krzepnięcia – zwłaszcza gdy przebiega gwałtownie lub zachodzi w odpowiednio dobranych stopach – zdarza się, że atomy nie zdążą utworzyć sieci krystalicznych. Atomowy chaos zostaje utrwalony. Powstaje substancja amorficzna:: ciało stałe, bowiem poszczególne atomy utrzymują stałe położenie w przestrzeni, ale i ciecz – ze względu na chaotyczną strukturę wewnętrzną.

Charakterystyczną cechą tego typu materiałów jest ich zdolność do ciągłego i odwracalnego przejścia ze stanu stałego w ciekły pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia.

Materiał dla Supermana
Najbardziej znaną substancją bezpostaciową jest zwykłe szkło. Do tej samej kategorii zalicza się także wspomniany produkt firmy Liquidmetal Technologies. W zasadzie powinniśmy więc mówić o metalicznym szkle lub amorficznym metalu (bezkształtnym, gdyż pozbawionym struktur krystalicznych), płynny metal to jedynie metafora. Właściwości mechaniczne metalicznego szkła są wręcz nieprawdopodobne. Cechuje je elastyczność polimerów i twardość przewyższająca parametry najlepszych stopów tytanowych. Niekiedy – jak w przypadku wspomnianej substancji firmy Liquidmetal Technologies – w celu poprawienia pewnych właściwości (np. zmniejszenia kruchości materiału) stosuje się mieszaniny zawierające 20% struktur krystalicznych. W rezultacie „szklanej” folii grubości zwykłej kuchennej folii aluminiowej nie da się ani rozerwać rękami, ani przeciąć nożyczkami!

Ponieważ w strukturze amorficznej nie ma ziaren, które mogłyby się przesuwać, materiał niemal nie pochłania energii kinetycznej. Jeśli na płytę wykonaną z metalicznego szkła rzucimy metalowe kulki, będą się odbijać nawet dwie minuty – kilkakrotnie dłużej niż w przypadku najlepszych stopów tytanu. Ta niezwykła sprężystość sprawia, że metaliczne szkło coraz częściej można spotkać wszędzie tam, gdzie istotne jest przekazywanie energii, np. w rakietach tenisowych, kijach golfowych i bejsbolowych. Nie brakuje też zastosowań militarnych: płynny metal to świetny materiał na pocisk, który całą swoją energię przekaże celowi. Wojsko ma zresztą więcej powodów do zadowolenia. Niedawno udało się wytworzyć amorficzny stop węgla, żelaza i manganu. Taki stop nie ma własności magnetycznych, jest więc idealnym materiałem do budowy statków niewidzialnych dla radarów.

Metaliczne szkło charakteryzuje się stosunkowo małą gęstością, zwykle o kilkanaście procent mniejszą od klasycznych stopów metalowych. Ponadto można je spienić. W ten sposób wykonuje się elementy składające się w 99% z powietrza, a przy tym stukrotnie wytrzymalsze od analogicznych z polistyrenu. Metale amorficzne są także niezwykle odporne na korozję. Jednorodna struktura powoduje, że powierzchnia zewnętrzna jest wyjątkowo gładka: nierówności są o trzy rzędy wielkości mniejsze od występujących na powierzchni aluminium lub cynku. W rezultacie tlen i woda po prostu nie mają jak wniknąć do środka.

Droga pod strzechy
Doskonałe właściwości magnetyczne i mechaniczne powodują, że metale amorficzne znajdują coraz więcej zastosowań w przemyśle, głównie elektronicznym, energetycznym i lotniczym. Wykonuje się z nich narzędzia chirurgiczne, a nawet obudowy laptopów i komórek. Ale na większe upowszechnienie tych materiałów przyjdzie nam jeszcze poczekać. Dlaczego? Pierwsze metale amorficzne wytwarzano już na przełomie lat 50. i 60. ubiegłego wieku w procesach chłodzenia cyny i ołowiu z szybkością rzędu milionów kelwinów na sekundę.

Mimo wyrafinowanej technologii w California Institute of Technology uzyskiwano w ten sposób jedynie cienkie warstwy grubości nanometrów, na dodatek szybko krystalizujące w temperaturach pokojowych. Przełom nastąpił dopiero na początku lat 90., gdy japońscy naukowcy zaczęli stosować stopy metali. W ten sposób wytwarzano grubsze warstwy bez konieczności stosowania tak radykalnych zmian temperatur. Tempo schładzania spadło do 1–100 K/s, co znacząco obniżyło koszty. Mimo to do dzisiaj wytwarzanie metali amorficznych jest kilkadziesiąt razy droższe od produkcji zwykłej stali. Głównym czynnikiem hamującym karierę płynnych metali pozostaje więc prozaiczna cena.