Lekkie i wytrzymałe – takie są kwazikryształy – ciała stałe o wyjątkowej strukturze, odkryte zaledwie 38 lat temu. Poddane modyfikacjom mogą okazać się bardzo użyteczne. Najpierw jednak trzeba dobrze je poznać. Badania struktury takich stopów, ich stabilności termicznej i składu fazowego prowadzi dr inż. Piotr Bardziński z W6.

Wszystkie kryształy mają regularne kształty, co wynika z ich budowy – atomy są w nich ułożone w uporządkowany sposób, tworząc powtarzające się, symetryczne wzory. Wszystkie poza kwazikryształami. One także składają się z uporządkowanych atomów, ale ich ułożenie w przestrzeni nie powtarza się okresowo. Dlatego tak trudno było uwierzyć w ich istnienie. Gdy w latach 80. ubiegłego wieku przypadkowo odkrył je izraelski naukowiec, prof. Dan Szechtman, inni badacze pukali się w czoła, a nawet podważali jego wiarygodność. Upór i konsekwencja Szechtmana opłaciły się – w 2011 r. Szwedzka Królewska Akademia Nauk nagrodziła go Noblem w dziedziniechemii, właśnie za kwazikryształy.

Badania wstępne

Odmienna budowa kwazikryształów sprawia, że wykazują właściwości charakterystyczne tylko dla siebie. Są np. słabymi przewodnikami cieplnymi i elektrycznymi, a przy tym są bardzo twarde i odporne na czynniki chemiczne oraz korozję. Większość z nich nie wykazuje porządku magnetycznego dalekiego zasięgu. Odpowiednio przygotowane stopy metaliczne z fazami kwazikrystalicznymi mogą jednak okazać się ferrimagnetykami, a w konsekwencji stać się materiałem użytecznym np. do opracowania ultraszybkich pamięci komputerowych (i wielu innych zastosowań).

Z czego jednak powinny składać się takie stopy? I w jakich proporcjach? Na te pytania trzeba dopiero znaleźć odpowiedzi.

- Świadoma modyfikacja właściwości takiej fazy kwazikrystalicznej poprzez domieszkowanie czy obróbkę termiczną, będzie możliwa dopiero, gdy poznamy lepiej równowagi fazowe w stopach, w których występuje. Innymi słowy: dopiero gdy przyjrzymy się bardzo dokładnie tym materiałom, będziemy mogli kontynuować badania nad nimi, skoncentrowane już na rozwijaniu ich konkretnych właściwości pod kątem przydatnych zastosowań – tłumaczy dr inż. Piotr Bardziński, naukowiec z Wydziału Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii, który w ramach grantu z programu „Miniatura” Narodowego Centrum Nauki prowadzi badania kwazikryształów we współpracy z partnerami zagranicznymi.

Właściwości magnetyczne

Dr Bardziński opracował 18 różnych czteroskładnikowych stopów na bazie aluminium. Zastosowane przez niego domieszkowanie według dotychczasowych doniesień naukowych może wpłynąć na uzyskanie porządku magnetycznego dalekiego zasięgu, czyli mówiąc prościej: pojawienie się właściwości magnetycznych). Spośród nich wybrał jeden – stanowiący materiał wyjściowy do dalszych badań.

Naukowiec zwraca uwagę, że uzyskanie stopu magnetycznego zawierającego fazę kwazikrystaliczną nie oznacza jeszcze sukcesu. Nie mamy bowiem pewności, że właściwości takiej próbki wynikają z występującej w niej fazy kwazikrystalicznej czy może powodują je magnetyczne fazy krystaliczne także zaobserwowane w tym stopie, co jest częstą przyczyną dyskusyjnego charakteru doniesień literaturowych w tym zakresie. Dlatego badając próbki, dr Bardziński identyfikował również towarzyszące fazy krystaliczne, a w końcu wytypował materiał, który nie zawiera innych faz magnetycznych poza kwazikrystaliczną. Zarejestrowane właściwości tego stopu mogą być cechą  wyłącznie obserwowanej fazy o strukturze kwazikrystalicznej.

Strzelanie do próbek

Naukowiec badał materiały w stanie wytworzenia, po obróbce termicznej i po zderzeniu z pociskiem o określonej prędkości. To ostatnie badanie służyło sprawdzeniu odporności struktury kwazikrystalicznej na tzw. wysokoenergetyczne uderzenia.

-  Dobranie odpowiedniej energii uderzenia, które trwale zaburzyłaby tę strukturę, ale nie doprowadziło do jej zniszczenia, mogłoby umożliwić kontrolowanie jej określonych właściwości – tłumaczy naukowiec. – Eksperymenty potwierdziły zachowanie struktury fazy kwazikrystalicznej w stanie nienaruszonym, przy jednoczesnym wprowadzeniu do niej naprężeń wewnętrznych, które pozostały w materiale. Otwiera to nową perspektywę, jeśli chodzi o potencjalne zastosowania.

Dr Bardziński nie chce na razie zdradzać szczegółów dotyczących m.in. składu stopu o właściwościach magnetycznych czy tego, do czego konkretnie mógłby być wykorzystywany. Opisze je w artykułach naukowych podsumowujących wyniki projektu. Planuje także składanie wniosków o granty na dalsze badania faz kwazikrystalicznych.

Naukowiec jest absolwentem kierunku inżynieria materiałowa na Wydziale Chemicznym PWr. Obronił doktorat w dyscyplinie mechanika na Wydziale Mechanicznym, a obecnie jest zatrudniony jako adiunkt w Katedrze Górnictwa i Geodezji na Wydziale Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii.

Lucyna Róg