Prestižní ocenění za výzkum titanových slitin

Prestižní ocenění za výzkum titanových slitin

Fyzika / rozhovor

Editory odborných časopisů Acta Materialia, Scripta Materialia a Acta Biomaterialia zaujal článek, který zkoumá částice ve slitinách titanu a jejich chování a vliv na tento materiál. Práci, jejíž spoluautorkou je RNDr. Jana Šmilauerová z katedry fyziky materiálů MFF UK, proto udělili prestižní cenu Acta Student Award.

Ocenění Acta Student Award za nejlepší publikaci, která v daném roce vyšla v časopise Acta Materialia, uděluje odborná porota každý rok. Získávají ho mladí studenti za vynikající práce z oboru materiálových věd. Vybrané články musí splňovat vysoké nároky, které jsou kladeny nejen na kvalitu práce, ale hodnotí také její další potenciál či úroveň nominačních dopisů.

Mezi oceněné práce, publikované v roce 2014, se zařadil článek, na kterém se podílela dr. Šmilauerová z katedry fyziky materiálů MFF UK. Nese titul Ordered array of ω particles in β-Ti matrix studied by small-angle X-ray scattering a zabývá se velmi drobnými částicemi ve slitinách titanu, které jsou zajímavé svým vlivem na mechanické vlastnosti těchto slitin. Materiál totiž vytvrzují, zároveň však přispívají k jeho větší křehkosti. Práce proto zkoumala, jak zvětšit pevnost slitiny bez dalšího zvyšování její křehkosti.

Jedním z autorů práce je dr. Šmilauerová, která se v rámci doktorského studia na MFF UK specializuje na fázové transformace ve slitinách titanu. Materiálovým vědám a jmenovitě slitinám titanu se věnuje již od bakalářského stupně studia. „Ve druhém ročníku jsem začala hledat téma bakalářské práce, které by mě bavilo, a při hledání jsem se zajímala i o témata z katedry fyziky materiálů. Tam jsem se setkala s doc. Milošem Janečkem, jehož skupina právě začínala pracovat na projektu zabývajícím se studiem slitin titanu. Nabídl mi zapojení do skupiny a bakalářskou práci s tématem fázových transformací ve slitinách titanu, což mě zaujalo, a na katedře jsem už zůstala,“ popisuje dr. Šmilauerová cestu ke své specializaci.

Čím se Vaše publikace, která byla časopisem Acta Materialia vyhodnocena jako jedna z nejlepších za uplynulý rok, zabývá?

Práce se věnuje vzniku a vývoji částic fáze ω ve slitinách titanu. Tyto částice jsou velmi drobné, měří řádově několik málo desítek nanometrů, a jejich přítomnost v materiálu má velmi zajímavé důsledky pro mechanické vlastnosti slitiny a následné fázové transformace. Částice jsme zkoumali pomocí maloúhlového rozptylu rentgenového záření, což je metoda, která – zjednodušeně řečeno – „vidí“ nehomogenity v chemickém složení. Protože částice ω mají prvkové složení trochu jiné než okolní materiál, můžeme pomocí maloúhlového rozptylu zkoumat jejich velikost, tvar a prostorové uspořádání.

Jak vypadají zmíněné zajímavé důsledky, které mají zkoumané částice pro mechanické vlastnosti slitin?

Tyto částice materiál vytvrzují, ale zároveň zvyšují jeho křehkost, přičemž křehkost je většinou nežádoucí. Pro praktické aplikace je ale důležité to, že při dalším tepelném zpracování vznikají ve slitině precipitáty tzv. fáze α, které jsou velmi drobné, pokud vznikají za přítomnosti ω částic. Tyto drobné precipitáty fáze α pak zvyšují pevnost slitiny, aniž by způsobovaly její křehnutí.

V článku jste došli k poněkud jiným závěrům, než k jakým dospěly dosavadní studie v oboru, jak uvádí Advanced Photon Source. Můžete tyto rozdíly popsat?

Zjistili jsme, že částice ω jsou v materiálu jistým způsobem uspořádány (podél krystalografických směrů <100> kubické β fáze titanu). Doposud publikované práce se uspořádáním těchto částic příliš systematicky nezabývaly, existovala pouze studie, jejíž autoři pozorovali v transmisním elektronovém mikroskopu uspořádání částic ω v řetízcích podél směrů <111>. Maloúhlový rozptyl má ale oproti mikroskopii tu výhodu, že získáváme data z mnohem větší oblasti a z mnohem většího počtu částic, takže statistika je pak také mnohem lepší.

Potýkáte se při svém výzkumu s nějakými omezeními?

Titan a jeho slitiny za zvýšených teplot velice ochotně reagují s kyslíkem, na což je při přípravě vzorků i při samotných experimentech potřeba myslet. S obsahem kyslíku ve slitině se totiž velmi výrazně mění její mechanické vlastnosti. Například žíhání vzorků se nemůže provádět na vzduchu, musí se buď použít lázně roztavených solí, nebo je třeba vzorky zatavit do evakuované skleněné trubice. Podobně je při jakémkoli experimentu, v rámci něhož je titanová slitina vystavena vyšším teplotám (např. in-situ měření za ohřevu), nutné vzorek udržovat ve velmi dobrém vakuu, případně v čisté inertní atmosféře.

Pracovala jste na tzv. beamline na synchrotronu Advanced Photon Source. Jak vypadá běžný den při práci na tomto zařízení? Co jste s jeho využitím mohla zkoumat?

Na této beamline jsme s kolegy měřili maloúhlový rozptyl rentgenového záření a data z tohoto experimentu jsme využili právě ve zmiňované publikaci v časopise Acta Materialia. Beamline je v podstatě laboratoř na urychlovači částic (synchrotronu), kde se za pomoci velmi intenzivního elektromagnetického záření provádějí nejrůznější vědecké experimenty.

Beamline, na které jsme měřili my, je specializovaná na maloúhlový a ultra-maloúhlový rozptyl rentgenového záření. Na začátku experimentu se zařízení vylaďuje, aby byla získaná data co nejlepší. To má na starosti vědecký pracovník na beamline, tzv. beamline scientist, který pak uživatelům ukáže, co a jak. Potom již uživatelé pracují víceméně samostatně. Většinou se během experimentu s kolegy střídáme na směny, protože je potřeba, aby na beamline stále někdo byl. Například proto, aby vyměnil vzorky, když skončí jedno měření, a pak spustil měření nové, aby zařízení zbytečně nestálo.

V jakých konkrétních oborech mohou závěry Vašeho výzkumu najít uplatnění?

Zabývám se studiem fázových transformací ve slitinách titanu, což je převážně základní výzkum, takže cesta k uplatnění v praxi může být dlouhá. Ale dokážu si představit, že naše výsledky se uplatní například při navrhování nových slitin pro nejrůznější aplikace – při tom je důležité znát fázové transformace a jejich mechanismy, aby bylo možné určit, jak se slitina při daném složení a při dané teplotě bude chovat.

V letošním roce jste se účastnila školy HERCULES (Higher European Research Course for Users of Large Experimental Systems), která vzdělává v oblasti práce se synchrotrony a neutronovou radiací. V čem je práce s využitím těchto nástrojů specifická?

Specifikum vidím v tom, jakým způsobem je organizováno užívání synchrotronů a neutronových zdrojů. Na tato zařízení může přijít měřit prakticky kdokoli, musí však nejdřív sepsat návrh svého projektu, ve kterém vysvětlí, co a proč chce měřit. Návrh pak posuzuje komise a rozhoduje, zda a případně kolik bude danému uživateli přiděleno měřicího času. Většinou se jedná o několik dní.

Pokud je návrh projektu úspěšný, uživatel se domluví s vědeckým pracovníkem zodpovědným za danou beamline na konkrétním termínu měření. Celý tento proces je poměrně dlouhý, takže od nápadu k samotnému experimentu to může trvat v lepším případě i více než půl roku. S tím právě musí uživatelé synchrotronů a neutronových zdrojů ve své práci a jejím rozvržení počítat.

Lze za zmiňovaných několik dní získat dostatek relevantních dat?

Ano, rozhodně. Díky velké intenzitě synchrotronového zdroje je možné provádět experimenty velmi rychle, takže alespoň v mém případě platí, že pár dní práce na synchrotronu vygeneruje dost dat na minimálně několik měsíců zpracovávání.

V rámci vzdělávacích pobytů jste hodně času strávila v USA. Je pro to nějaký konkrétní důvod, jsou například ve studiu slitin titanu dále než jiná pracoviště nebo mají nejlepší technologické možnosti k výzkumu?

Naše skupina má bilaterální projekt Kontakt s univerzitou v Clemsonu, díky kterému jsme měli možnost univerzitu několikrát navštívit. V USA jsou pracoviště, která mají mnohem delší tradici ve studiu slitin titanu, a v některých případech také intenzivně spolupracují s aplikovanou sférou – například s leteckým průmyslem, kde slitiny titanu nalézají široké uplatnění. Ve spojení s praxí máme u nás ještě co dohánět, ale jinak jsou tu podle mě podmínky pro studium a výzkum materiálů velmi dobré.

Do poloviny listopadu mohou studenti UK žádat o studentský grant Univerzity Karlovy. Vy jste tento grant získala, a to hned dvakrát. Jaké projekty jste s pomocí grantů realizovala? Máte nějaký tip, jak nastavit parametry žádosti o grant tak, aby byla úspěšná?

V rámci mých dvou projektů GAUK jsem se zabývala fázovými transformacemi v různých slitinách titanu. První projekt byl obecněji zaměřený a během jeho řešení jsem zkoumala vztah mezi fázovými transformacemi, mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi slitin titanu. Druhý projekt, který poběží ještě příští rok, se úžeji zaměřuje na problematiku ω fáze, která stále není v literatuře uspokojivě popsána. Díky prostředkům z GAUKu jsem se také mohla zúčastnit několika mezinárodních konferencí, což je skvělý způsob, jak si rozšiřovat znalosti v oboru.

Co se týče žádosti o grant, žádný tip, který by zaručil úspěšnost projektu, bohužel nemám. Ale podle mých zkušeností musí z návrhu jako celku jednoznačně vyplynout, co přesně, jak a hlavně proč chce student dělat. Dál už myslím záleží na recenzentech, jak projekt posoudí.

Kam se ve svém výzkumu chcete posunout po dokončení doktorského studia?

Určitě chci jet na nějakou dobu do zahraničí na postdoktorskou stáž. Jednak je to jedna z podmínek pro získání juniorského grantu GA ČR, jednak doufám, že si tak rozšířím rozhled v oboru. Kam se ve svém výzkumu posunu, to se teď těžko odhaduje. Myslím si, že slitiny titanu jsou stále zajímavým a podnětným tématem pro výzkum, ale nemůžu vyloučit, že se v budoucnosti budu zabývat i něčím jiným.

Děkuji za rozhovor.


Mohlo by vás zajímat:

Získejte studentský grant Univerzity Karlovy

Tento článek jsme automaticky naimportovali z předchozího redakčního systému. Pokud se v něm něco pokazilo, dejte nám prosím vědět.