Łodygi bambusa mogą wydawać się niezbyt trwałe w porównaniu ze stalowym prętem. Jednak to właśnie te pozornie delikatniejsze materiały zainspirowały naukowców do zmodyfikowania struktury stali. Dzięki tym zmianom metal jest jednocześnie twardy i elastyczny, co zwiększa jego ogólną wytrzymałość na obciążenia.

W ulepszonej stali rozmiary tworzących ją cząstek zwiększają się stopniowo od zewnątrz do środka

W ulepszonej stali rozmiary tworzących ją cząstek zwiększają się stopniowo od zewnątrz do środka. Foto: ncsu.edu/Yuntian Zhu

Zespół chemików z Chin i USA wytworzył stal o szczególnej mikrostrukturze inspirowanej budową naturalnych materiałów, takich jak właśnie bambus albo ludzkie zęby. Uzyskany przez nich materiał okazał się jednocześnie bardziej elastyczny i zdolny do wytrzymania większych obciążeń niż zwykłe wyroby stalowe. Obie te cechy są bardzo pożądane przy wykorzystywaniu stali do różnego rodzaju produkcji.

 

Od 96 nanometrów do 35 mikrometrów

Strukturalna stal powinna wytrzymywać duże obciążenia, ale również powinna się lekko giąć, kiedy zbliża się do granicy przeciążenia. Dzięki temu inżynierowie uzyskają czas na naprawę, zanim się nagle rozpadnie. 

Powierzchnia udoskonalonej stali składa się z ziaren, które liczą 96 nanometrów szerokości, co znaczy, że są około tysiąc razy cieńsze od kartki papieru. Jednak ziarna tworzące głębsze warstwy metalu stopniowo zwiększają swoje rozmiary. W centralnej części liczą już około 35 mikrometrów, czyli są 300 razy grubsze niż te z powierzchni.

Oczywiście te stopniowe zmiany wielkości zachodzą na przestrzeni niezauważalnej gołym okiem, bo arkusz takiej zmodyfikowanej stali ma grubość milimetra, a ziarna maleją zarówno od jego wierzchniej, jak i spodniej strony.

 

Wzór z natury

Właśnie takie zróżnicowanie wielkości ziaren odpowiada za poprawę dwóch kluczowych parametrów – trwałości i elastyczności. Maleńkim powierzchniowym cząstkom stal zawdzięcza twardość, natomiast duże wewnętrzne sprawiają, że może się giąć. Takie rozwiązanie naukowcy skopiowali z natury, w której istnieje wiele struktur o zróżnicowanej wielkości składowych cząstek. To pomaga im radzić sobie z obciążeniami związanymi np. z pogodą.

Chińsko-amerykański zespół opublikował szczegóły swojego eksperymentu na łamach dwóch czasopism: „Materials Research Letters” i „Proceedings of the National Academy of Sciences”. To nie jedyna grupa, która pracuje nad modyfikowaniem struktury metali. W ostatnich latach innym naukowcom udało się uzyskać miedź i stal nierdzewną z gradientem rozmiaru cząstek.

Polecane: