Svět za (kovovým) sklem

Svět za (kovovým) sklem

Učitelství / článek

Amorfní kov, tzv. kovové sklo, se na první pohled od krystalického neliší. Má však některé pozoruhodné vlastnosti, jako je vysoká tvrdost, tvarová přesnost po odlití a odolnost proti korozi. V kovovém skle je zakalena struktura taveniny, podstatně chaotičtější než pravidelně uspořádané ionty běžného krystalického materiálu.

Struktura krystalického kovu: V prostorech mezi zrny krystalického kovu obvykle začíná koroze
Struktura krystalického kovu: V prostorech mezi zrny krystalického kovu obvykle začíná koroze

Kovové sklo, na rozdíl od běžného křemičitého, není průhledné, vykazuje elektrickou vodivost a může být dokonce magnetické. Možná však překvapí, že se svou vnitřní strukturou skutečně velmi podobá skleničkám či okenním tabulím. V obou případech jde o pevné amorfní látky.

V běžných kovech jsou atomy uspořádány v definovaných vzájemných vzdálenostech odpovídajících příslušné krystalické struktuře, zatímco atomy kovových skel jsou rozmístěny zcela neuspořádaně. Specifická mikroskopická struktura pak zakládá zvláštní mechanické vlastnosti na makroskopické úrovni.

Například tvrdost kovových skel převyšuje několikanásobně hodnoty obvyklé u ocelí. Při tuhnutí se nesmršťují a za teplot kolem 300 °C je možné je vstřikovat do forem. Díky těmto vlastnostem vznikají odlitky s mimořádnou tvarovou přesností. Lze odlévat tvary s jemnostmi milióntiny metru, tedy velikosti šedesátiny průměru lidského vlasu. Existují také amorfní kovové pěny, které jsou z 99 % tvořené vzduchem, a přesto stokrát tvrdší než polystyren.

V krystalickém kovu jsou ionty uspořádány na dlouhou vzdálenost vždy ve stejných pozicích a vzdálenostech vůči sobě. Toto uspořádání se opakuje v určité oblasti zvané zrno. Kov sestává z obrovského množství těchto mezi sebou souvisejících zrn. Kovové sklo však má neuspořádanou strukturu, která je vlastně zamrzlou taveninou.

První kovové sklo bylo podle publikovaných údajů vyrobeno v roce 1960 rychlým tuhnutím taveniny s úctyhodnou rychlostí chladnutí megakelvin za sekundu (106 K/s). Proto měla první kovová skla tvar velmi tenkých pásků, fólií nebo drátků, aby se podél velmi malého rozměru z materiálu rychle odvádělo teplo. Později se tavenina například stříkala na rychle rotující masivní měděný válec, který měl vysokou tepelnou vodivost.

Ze slitin, ve kterých mají atomy různých chemických prvků většinou různou efektivní velikost, je možno vyrábět kovové sklo i při nižších kalicích rychlostech, protože různorodé ionty si navzájem více brání ve snaze zaujmout polohy odpovídající dané krystalické struktuře. Tak se daří vyrábět velmi přesné masivní součástky s rozměry několika centimetrů.

Důsledkem absence zrn a jejich hranic je nejen extrémní tvrdost nebo odolnost proti otěru, ale i odolnost proti korozi. Zvláště hranice zrn jsou totiž místem, kde je materiál snadno napadán agresivní látkou. Tyto výtečné vlastnosti jsou však vykoupeny i jednou špatnou charakteristikou, a tou je křehkost. Když už dojde k porušení celistvosti materiálu, pak většinou projde trhlina rychle a celou součástkou. Avšak i tady nalézají materiáloví vědci řešení. Jsou jím kompozity kovových skel a částeček krystalického kovu.

Od 60. let se postupně vyvinul ještě jeden způsob výroby kovového skla, a to pomocí laseru. Tím se dá „zeskelnit“ povrchová vrstva krystalické kovové součástky, protože při použití výkonného laseru je v pulsu dostatečná energie ke zkapalnění vrstvičky kovu. Samotný krystalický kov je velmi dobrým tepelným vodičem, který rychle odvede teplo. Ztuhlá povrchová vrstva má pak amorfní charakteristiku. Příslušná strojní součást, například plošky klikové hřídele motoru, se ošetří laserem místo po místu. Díky tomu může mít hřídel minimální otěr při zachování elastických a plastických vlastností normální oceli. Cena výrobku se tím příliš nenavýší.

Kovová skla postupně pronikají i do medicínských aplikací. Vyrábějí se z nich skalpely, jejichž čepele lze bezvadně vybrousit. Navíc jsou díky velké tvrdosti a odolnosti proti korozi velmi trvanlivé. Výhledově se uvažuje o výrobě dočasných implantátů z kovových skel na bázi hořčíku. Tento kov je přirozenou součástí lidského metabolismu a tělo jej dokáže postupně samo odbourat. Stačí si představit například šrouby k fixaci zlomenin, které by organismus po zhojení zranění postupně vstřebal. To by ušetřilo následné operace nutné k jejich odstraňování.

S prvotním nadšením sáhli ke kovovým sklům také výrobci luxusních automobilů. V tomto segmentu je dobré jen to nejlepší a, samozřejmě, nejdražší. Karoserie ošetřené laserem by nepodléhaly korozi, což vypadá na pohled jako skvělý nápad. Jenže, málokdo by chtěl vyrábět auta, která nikdy nezreznou. Představa automobilu „na věky“ se ukázala jako značně nevhodný obchodní model, a proto světlo světa spatřilo jen několik ověřovacích kusů.

Konečně jsou tu z luxusního zboží ještě golfové hole na bázi kovových skel. Díky vysoké tvrdosti materiálu během nárazu do míčku neabsorbují energii. Při stejné vynaložené námaze díky tomu míček doletí výrazně dále. I v tomto luxusním sportu se však bere v úvahu cena. Ačkoli, kdo by nechtěl být první. Výhra v golfovém turnaji vloženou investici snadno navrátí. A navíc by se o vítězi říkalo, že nehrál běžným „železem“, ale sklem.

Originální zdroje:

Metallische Gläser - Werkstoffzeitschrift. Werkstoffzeitschrift - Das Portal für die Fertigungswelt von morgen [online]. Copyright © HW [cit. 16.12.2020]. Dostupné z: https://werkstoffzeitschrift.de/metallische-glaser/

Welt der Physik: Metallische Gläser – robust und extrem vielseitig. Welt der Physik: Startseite [online]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/metalle/metallische-glaeser/

Klement, W., Willens, R. H., Duwez, P.: Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys. Nature 187 (1960) 869–870.

Scientific and Technical Aerospace Reports 30 (24) NASA (1992) 4155.


Mohlo by vás také zajímat:

Vzdorující Mpembův jev
Na ostří žiletky
Vinný pláč