Deformace silou magnetu. Unikátní spektroskopie odhalila vlastnosti slitiny

Jako Jekyll a Hyde – tak se chovají i některé materiály. Mezinárodní tým Hanuše Seinera z Ústavu termomechaniky AV ČR zjistil, že v některých směrech je slitina niklu, manganu a galia schopna přenášet elastické vlny rychleji než ocel, v jiných směrech se však pulzy šíří pomaleji než ve vzduchu. Aby vědci popsali chování slitiny, museli ji rozklíčovat atom po atomu. Studii otiskl prestižní časopis Advanced Materials.

Aparatura spektroskopie s přechodovou mřížkou

Vezměte palici a vší silou s ní bouchněte do kovadliny. Palice odskočí, kovadlina zůstane zdánlivě nehybná. Síla, která palici odrazí, ale vzniká uvnitř tvrdého materiálu kovadliny jako reakce na úder. Umožňuje ji pružnost neboli elasticita, která je pro každý materiál specifická. A právě elasticitu studují vědci z Ústavu termomechaniky AV ČR a Fyzikálního ústavu AV ČR.

„Říká nám, jakými silami jsou na sebe navázány atomy v mřížce. To je potřeba vědět, když chcete s materiálem dál pracovat,“ vysvětluje Kristýna Repček z Oddělení ultrazvukových metod v Ústavu termomechaniky AV ČR. Zní to jednoduše, ovšem zrada přichází, když se materiál chová v různých směrech jinak. Známým příkladem tzv. anizotropie je grafit – v jednom směru je velice měkký, takže prostým smýkáním po papíru se bortí vazby atomů uhlíku v jeho mřížce, a minerál tak zanechává stopu. V kolmém směru je naopak díky pevným vazbám velice tvrdý. Podobné vlastnosti vykazuje slitina niklu, manganu a galia (Ni-Mn-Ga), o niž se vědecká obec zajímá už přes dvacet let.

Multiškálová struktura krystalů Ni-Mn-Ga: od makroskopického krystalu s viditelnými deformačními pásy až po vrstevnatou atomární mřížku. 

Teprve nyní se ale českým fyzikům ve spolupráci s Lappeenrantskou technickou univerzitou ve Finsku podařilo do detailu rozklíčovat podmínky elasticity Ni-Mn-Ga. Aby toho dosáhli, museli zdokonalit metodu spektroskopie s přechodovou mřížkou, která umožňuje zaznamenávat mechanickou odezvu krystalů na laserové pulzy kratší než jednu nanosekundu. Na světě je méně než deset laboratoří, jež s touto technologií umějí pracovat, a pouze v laboratořích Ústavu termomechaniky AV ČR byla vyvinuta její varianta s ultrapřechodovou mřížkou, schopná analyzovat ještě mnohonásobně kratší odezvy materiálu. „Díky ní dokážeme získat nejvíc informací o elasticitě materiálu na celém světě. Umíme zjistit jeho elasticitu, aniž bychom se ho dotkli. A to i u vrstev tenkých jen několik mikrometrů, to je opravdu unikátní. Samo vyvinutí metody považuji za důležitý přínos našeho článku,“ podotýká Kristýna Repček.

Pohyby řízené magnetem
Anizotropie elasticity u Ni-Mn-Ga je tak extrémní proto, že ve slitině probíhá neobvyklý deformační mechanismus na úrovni atomů. Tentýž mechanismus také umožňuje vznik supramobility, tedy vysoké pohyblivosti deformací v krystalové mřížce. Díky ní dokáže okem viditelnou změnu tvaru krystalu Ni-Mn-Ga způsobit i velmi slabá mechanická síla nebo malá změna magnetického pole.

Ni-Mn-Ga patří do rodiny slitin s tvarovou pamětí, tedy kovových materiálů, jejichž tvar lze řízeně měnit změnou vnějších podmínek. Její „příbuzný“, slitina niklu a titanu neboli nitinol, se nyní již zcela rutinně využívá v řadě odvětví, například ortodoncii. Můžeme ho najít také v obroučkách brýlí, hydraulických systémech stíhaček nebo výztuhách podprsenek. V případě nitinolu se však změny tvaru dosahuje změnami teploty.

Že se u Ni-Mn-Ga dá stejného jevu docílit právě za pomoci magnetismu, je obrovská výhoda, jak připomíná Kristýna Repček: „Představte si, že potřebujete, aby materiál reagoval velmi rychle a opakovaně. Běžný nitinol by se musel zahřát, ochladit a stále dokola, což trvá – energii musíte dodat a odvést. Zatímco pokud by byla možnost nad materiálem jen hýbat magnetem, dosáhnete řádově vyšších rychlostí.“ Další pozitiva slitiny Ni-Mn-Ga lze vidět v její stabilitě či odolnosti proti vibracím.

Deformace krystalu slitiny Ni-Mn-Ga-Co-Cu vnějším magnetickým polem. Fotografie zobrazují tentýž krystal nabývající různých tvarů v magnetickém poli ležícím v rovině obrázku (vlevo) a kolmo na rovinu obrázku (vpravo). 

Dávkovač léků pod kůží
Nabízí se využití v různých senzorech, kde materiál reaguje na změnu podmínek a podá o tom informaci, nebo naopak v aktuátorech, v nichž dodá impulz člověk a materiál provede změnu. Zcela konkrétním uplatněním by jednou mohla být třeba mikropumpa na dávkování léku přímo pod kůží. Čip změří cukr v krvi, a když zjistí překročení hladiny, dá pokyn mikroskopické pumpě, aby nabrala kapičku léku ze zásobárny a převedla ho na místo, kde má působit. Vývojem mikropump využívajících supramobilitu v Ni-Mn-Ga se zabývá několik pracovišť po celém světě. „Viděla jsem funkční prototyp takového zařízení dokonce i coby středoškolský projekt, takže věřím, že podobná aplikace není nereálná,“ říká vědkyně.

Nikl-mangan-galium ovšem ještě čeká dlouhá cesta. Naměřených konstant se ujmou další odborníci, kteří mohou vytvořit model materiálu a navrhnout, jak slitinu ještě vylepšit. Už nyní se totiž ví, že v aktuální podobě nemá pro aplikace příliš vhodné teplotní vlastnosti.

Přímé pozorování mechanické nestability krystalů slitiny Ni-Mn-Ga je prvním přelomovým výsledkem projektu OP JAK FerrMion, jenž získal půlmiliardový rozpočet, a tým vědců vedený Hanušem Seinerem z Ústavu termomechaniky AV ČR se nyní zaměří na jiné fáze slitiny či již zmíněné teplotní atributy.

Magnetická tvarová paměť

Že lze pomocí magnetického pole s některými kovovými předměty na dálku hýbat, je docela dobře známo. Lze však také měnit jejich tvar? Magnetické slitiny s tvarovou pamětí to dokážou. Vypadá to jako kouzelnický trik: aniž bychom se krystalu slitiny na bázi Ni-Mn-Ga dotkli, stačí změnit směr vnějšího magnetického pole a kovový krystal se zdeformuje natolik, že je to viditelné pouhým okem. Proč tomu tak je? Krystalová mřížka se snaží uspořádat tak, aby její vlastní magnetické momenty ležely rovnoběžně s vnějším polem. V běžných materiálech toho nelze dosáhnout jinak, než že se celý objekt otočí. Pro slitinu se supramobilitou je však jednodušší se podle magnetických momentů zdeformovat. Tento jev byl poprvé popsán na přelomu tisíciletí skupinami z Helsinské technické univerzity ve Finsku a Massachusettského technologického institutu v USA. (15.11.2024)