Unikátny spôsob merania elasticity materiálu využíva laserový ultrazvuk
- Autor:
- Roman Mališka
- Zverejnené:
- 16. 2. 2022
- Hodnotenie:
- Už ste hlasovali.
Vedci, ktorí experimentujú so špičkovou ultrazvukovou technikou, prišli s prelomovým a neuveriteľne presným spôsobom merania elasticity materiálov v mikroskopickom meradle. Na základe sledovania zvukových vĺn pri ich odraze cez jednotlivé kryštály by pokrok mohol mať významné dôsledky vo vývoji materiálov novej generácie.
Význam tejto prelomovej techniky je spojený s neuveriteľne zložitým usporiadaním mikroskopických kryštálov, ktoré tvoria materiály, ako sú kovové zliatiny, ktoré sa môžu líšiť veľkosťou a tvarom a počtom v miliónoch. Bežne používané meranie vzťahu medzi napätím a deformáciami týchto materiálov, známe ako matica elasticity, zahŕňalo ich rozrezanie alebo rast iba jedného kryštálu.
Tieto techniky však nemožno použiť na všetky materiály známe vede, ako sú napríklad zliatiny titánu používané v prúdových motoroch. Len malému percentu materiálov bola zmeraná ich elasticita, takže mnohé s ich presnými vlastnosťami sú stále neznáme.
„Veľa materiálov, ako sú kovy, sa skladá z malých kryštálov,“ povedal Paul Dryburgh, spoluautor štúdie z Nottinghamskej univerzity. „Tvar a tuhosť týchto kryštálov sú nevyhnutné pre výkon materiálu. To znamená, že ak by sme sa pokúsili natiahnuť materiál ako pružinu, pružnosť závisí od veľkosti, tvaru a orientácie každého z týchto stoviek, tisícok alebo dokonca miliónov kryštálov. Toto zložité správanie znemožňuje určiť vlastnú mikroskopickú tuhosť. Je to problém už viac ako 100 rokov, pretože nám chýbali adekvátne prostriedky na meranie tejto vlastnosti“.
Vedci sa domnievajú, že prišli s riešením tejto dilemy využitím technológie známej ako laserový ultrazvuk. Tam, kde tradičný ultrazvuk vysiela vysokofrekvenčné zvukové vlny do vzorky, ako je ľudské tkanivo, a meria zvuky, ktoré sa odrazia späť, aby sa vytvoril obraz vzorky, laserový ultrazvuk namiesto toho používa svetlo na generovanie týchto zvukových vĺn.
V roku 2019 pritom vedci z MIT použili formu laserového ultrazvuku na vytváranie snímok ľudského tela bez akéhokoľvek kontaktu s pokožkou, čo je pri konvenčnom ultrazvuku nemožné. Teraz to vedci z Nottinghamskej univerzity použili na otvorenie niektorých vzrušujúcich možností v materiálovej vede.
Tím navrhol experimentálne laserové ultrazvukové zariadenie, ktoré dokáže generovať vysokofrekvenčné vlny v malom priestore približne 200 mikrometrov, čiže približne na šírku dvoch alebo troch ľudských vlasov. Laser vystrelí vysokoenergetický pulz svetla na vzorku materiálu, a vytvorí zvukovú vlnu. Tá sa šíri po povrchu materiálu a je sledovaná pomocou vstavaného detektora, aby odhalila orientáciu jednotlivých kryštálov spolu s ich elasticitou. Rovnako pôsobivá je rýchlosť, akou technológia s názvom SRAS++ dokáže vykonávať tieto merania.
„Vývoj SRAS++ je pozoruhodným prielomom, pretože poskytuje prvú metódu na meranie matice elasticity bez znalosti rozloženia kryštálov v materiáli,“ povedal profesor Matt Clark, ktorý viedol výskum. „Technika SRAS++ nevyžaduje náročnú prípravu monokryštálu; je rýchla (možno vykonať tisícky meraní každú sekundu) a ponúka bezkonkurenčnú presnosť merania. Rýchlosť techniky je taká, že odhadujeme, že by sme mohli zopakovať všetky elastické merania vykonané v histórii za posledných 100 rokov len v priebehu nasledujúcich šiestich mesiacov“.
Tím overil presnosť zariadenia prostredníctvom experimentov na čistom nikle, titáne a zliatine niklu CMSX-4, pričom vzorky boli vybrané pre ich obľúbenosť v leteckom priemysle. Vedci si však predstavujú, že technika SRAS++ umožní vývoj nových návrhov zliatin s prispôsobenou tuhosťou, ktoré by si mohli nájsť uplatnenie nielen v leteckom priemysle, ale aj v protetických pomôckach s elasticitou zodpovedajúcou ľudskému telu.
Výskum bol publikovaný v magazíne Acta Materialia.
