Respondentem šestnáctého dílu ankety Mezi námi je doc. Kristián Máthis. Otázku z oboru fyziky mu v minulém díle položil doc. František Chmelík.
Co jsou micropillars a co nám prozradí jejich studium?
Jak je všeobecně známo, mechanické vlastnosti materiálů jsou významně ovlivněny jejich mikrostrukturou. Velikost zrna polykrystalických materiálů, množství a charakter krystalových poruch a další parametry určují, jak se namáhaný materiál chová při deformaci. V laboratořích a zkušebnách se ve většině případů deformační zkoušky provádějí na vzorcích o velikosti několika jednotek, resp. desítek centimetrů. Důvodem je fakt, že tyto zkoušky věrně simulují chování, které lze pozorovat při namáhání reálných součástek, resp. konstrukčních prvků (nosníky, karoserie, výztuhy apod.).
Zmenšíme-li však velikost zkušebních vzorků o několik řádů, otevře se nám nový svět, v němž deformace probíhá zcela jiným způsobem než ve „velkých“ vzorcích. V roce 1924 Sir Geoffrey I. Taylor publikoval výsledky deformačních zkoušek na tenkých kovových drátech. Zjistil, že dráty mají mnohem vyšší pevnost než válcové vzorky vyrobené ze stejného materiálu, ale s větším průměrem. Tento zajímavý efekt byl v 50. a 60. letech minulého století intenzivně zkoumán na tenkých kovových jehlicích (angl. whiskers – dlouhé monokrystaly, téměř bez čárových krystalových poruch, tzv. dislokací) a bylo zjištěno, že hodnota napětí na mezi skluzu a teoretická pevnost se téměř shodují, je-li průměr vzorků menší než 5 µm. Takové deformační chování bylo vysvětleno vysokým napětím, které je nutné k aktivaci dislokačních zdrojů, přičemž k pohybu již aktivních dislokací je třeba vyvinout napětí mnohem menší.
Na sklonku devadesátých let se objevila nová metoda využívající k přípravě miniaturních vzorků fokusovaný iontový svazek (angl. focused ion beam – FIB). Zařízení umístěné v rastrovacím elektronovém mikroskopu (REM) vytváří usměrněný tok ionizovaných atomů (používá se zejména galium). Svazek je zaostřen na vzorek a v místě dopadu dochází k vyražení atomů z krystalové mříže. Tímto způsobem lze obrábět materiál v mikro- až nanometrovém měřítku.
Touto metodou byly připraveny první „micropillars“, což jsou v zásadě válce (nebo hranoly) vyřezané z materiálu. Jejich průměr se pohybuje od několika stovek nanometrů až po desítky mikrometrů, jejich výška je pak zpravidla jeden a půl násobkem až dvojnásobkem průměru. Pomocí nanoindentoru lze na těchto válcích provést tlakové deformační zkoušky. Zkoumané materiály jsou různé, ale většina prací se zaměřuje na monokrystaly s kubicky plošně centrovanou krystalovou mříží (Ni, Cu). Již první práce z roku 2005 poukázaly na zajímavé charakteristiky deformačních křivek:
• deformační napětí narůstá s klesajícím průměrem (velikostní jev),
• deformační křivky jsou skokovité – stochasticky diskrétní skoky jsou odděleny intervaly téměř elastické deformace.
Micropillars obsahují velké množství dislokací, které, jak známo, jsou hlavními nositeli plastické deformace. Velikostní jev souvisí se vznikem tzv. rozštěpených dislokací, které vyžaduje geometrická konfigurace krystalu, pokud je rozměr vzorků podobný jako střední vzdálenost mezi dislokacemi. Tento typ poruch však vyžaduje ke své tvorbě mnohem vyšší aplikované napětí, než je tomu u klasických dislokací. Pozorovaný jev skokovité deformace je pak důsledkem jejich kolektivního, lavinovitého pohybu. Hodnotu mechanických parametrů (mez skluzu atd.) lze v tomto případě vyhodnotit jen statisticky. Ukazuje se, že provedeme-li dostatečný počet (> 300) deformačních zkoušek a výsledky průměrujeme, dostaneme deformační křivku podobnou té, jakou bychom naměřili na objemovém materiálu. Jinými slovy, lokálně probíhá deformace vždy skokovitě (pro tento aspekt se v literatuře vžil termín „crackling plasticity“), pouze v případě vzorků obvyklých rozměrů pozorujeme výsledek průměrování velkého množství lokálních intermitentních deformací, a tudíž je křivka hladká. Zpracujeme-li data statisticky, zpravidla dostaneme v bilogaritmickém měřítku lineární závislost hustoty pravděpodobnosti na velikosti skoků. V přírodě podobnou statistiku vykazují zemětřesení, sesuvy půdy nebo laviny. Na základě studia micropillars tak lze kromě popisu deformace vyslovit i univerzální hypotézy o dynamických systémech, které jsou v kritickém stavu.
Na katedře fyziky materiálů MFF UK se zabýváme studiem micropillars již několik let. Ve spolupráci s Univerzitou Loránda Eötvöse v Budapešti jsme vytvořili unikátní experimentální sestavu, která kromě deformace micropillars umožňuje jejich živé sledování rastrovacím elektronovým mikroskopem a zaznamenání odezvy akustické emise.
doc. RNDr. Kristián Máthis, Ph.D.
Katedra fyziky materiálů, Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova v Praze
Otázka na doc. Ondřeje Kyliána: Jak lze nanokompozitní a nanostrukturované materiály využít v moderní medicíně? > Odpověď
Další díly ankety:
Mezi
námi: Jak poslouchat, co vypravují krystaly?
Mezi
námi: Jára Cimrman prohlásil, že budoucnost patří aluminiu. Není to
spíš tak, že budoucnost patří magnéziu?
Mezi
námi: Jak vzniká dobrý učitel fyziky?
Mezi
námi: Co pohání kontinenty na Zemi? A čím je Venuše jiná?
Mezi
námi: Jak pozná teoretický fyzik, zda výsledky jeho bádání jsou
správné?
Mezi
námi: V čem spočívá vědecká excelence MFF UK v matematice?
Mezi
námi: Z čeho pramení výborná atmosféra ve vašem týmu doktorandů,
postdoktorandů a mladých kolegů?
Mezi
námi: Existuje podle Vašeho názoru období (nebo více období) v naší
historii, které byste označil jako „zlatá doba české matematiky“ a proč?
Mezi
námi: Co je to pravděpodobnost v přirozeném světě, co je to
pravděpodobnost ve světě matematiky a jak spolu souvisejí?
Mezi
námi: Matematici matematiku objevují, anebo tvoří?
Mezi
námi: Existuje něco jako buňky na matematiku?
Mezi
námi: Vysoká škola versus Akademie věd – které prostředí je
pěstování vědy příznivěji nakloněno?
Mezi
námi: Jsou matematika a hudba dvě strany jedné mince?
Mezi
námi: Kolik kilogramů Matfyzu létá ve vesmíru?
Mezi
námi: Kdo je pro mě matfyzák?