Bronz ve Demir Çağı’ndaki ilk demirciler, metali bükme veya çekiçleme yoluyla deforme olduklarında daha güçlü hale geldiklerini keşfettiler. Çalışma veya gerilim sertleştirme olarak bilinen bu işlem, günümüzde hala metalurji ve imalatta araba parçalarından hava elektrik tellerine kadar her şeyin değişmesini artırmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak malzeme bilimcileri bu temel süreci gerçek zamanlı olarak nasıl devam ettiğini hiç izleyememişti.
Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’ndan (SEAS) bir bilim insanları ekibi, iş sertleşmesinin temel verilerin yönlendirildiği ayrıntılı ilk kez ayrıntılı olarak gözlemlendi.
Harvard Malzeme Araştırma Bilim ve Mühendislik Merkezi’nde (MRSEC) yürütülen bu araştırma, malzeme bilgilerine daha derin bir anlayış sağlayarak malzeme tasarımı ve üretim üzerinde geniş özet bir içeriğe sahip olabilir.
SEAS’te Uygulamalı Fizik Profesörü ve başyazar Frans Spaepen “İşin sertleşmesi, endüstriyel birçok deformasyon faaliyeti” dedi. “Günümüzde iş sertleşmesini bölümü için büyük sistem bilgisayar programları kullanılıyor. Ancak bu modellerin çoğaltılması etkili hale getirmek istiyorsak, bu süreçte yönetilen temel kurallar daha fazla güçte yapılabilir var. Bu çalışma, iş sertleşmesinin evrensel otomatik gerçek zamanlı bir pencere açılıyor.”
Atomik yapılar yalnızca elektron mikroskobuyla gözlemlenebilir, bu nedenle metallerde iş sertleşmesini gerçek zamanlı olarak gözlemlemek saklanır. Araştırmacılar yapıyı değiştirmeden önce ve sonra karşılaştırabilirler ancak süreç boyunca ortaya çıkan olaylar hakkında çok az etkinliğe sahip olmuştur. Daha önceki incelemelerde, yapıdaki dislokasyonlar olarak bilinen kusurların bir kusuru kusurlu olmaktı. Bu kusur ağı, çalışanların daha fazla çaba harcamasına neden olur.
MRSEC’de SEAS’ta doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapan ve makalenin ortak yazarı olan Ilya Svetliz birinci, “Bu atomik kristaller deki sertleşmeye yol açan kusurlar arasındaki uyum tam karmaşıklığı kusursuz netleşmedi.” dedi.
Kesme sırasında kolloidal kristalin ortasındaki konfokal görüntüler ve kesme sırasında yerel gerilmelere sahip bir kolloidal kristalin işlenmiş görüntüleri. Kaynak: Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu
Sürecin bu önemli yönünü desteklemek için araştırma ekibi, atomlardan yaklaşık 10.000 kat daha büyük olan ve yüksek çözücülerde çözünen bir kristal yapı oluşum oluşumları olan kolloidal kristallere yöneldi. Bu kristaller, yapılar, faz geçişleri ve benzer kusurları nedeniyle atomik sistemleri taklit etmek için kullanılır. Kolloidal kristaller ise Jell-O’dan 100.000 kat daha yumuşaktır.
Araştırmacılar, toplu toplantılardan oluşan bu kolloidal kristalleri büyüttü ve bir parça konfokal optik mikroskop kullanarak gözlemledi. Kristallere bir gerilim uyguladıklarında, her parçacığın hareketini ölçmeyi başardılar.
Bu kolloidal kristaller şaşırtıcı bir şekilde çok serttir, hatta diğer malzemelerden daha güçlü. Bu ultra-yumuşak malzemeler, parçacık boyutu nedeniyle çoğu metalden çok daha güçlüdür.
“Katı küre kolloidal kristallerinin iş sertleşmesini beklemiyorduk.” dedi MRSEC destekli yüksek lisans öğrencisi ve sonuçları eş-yazarı Seongsoo Kim. “Parçacıklar arasındaki etkileşimler, normal metallere kıyasla çok basit. Ancak bu yumuşak malzemeler, bakır ve alüminyum gibi çoğu metalden bile daha güçlü bir iş sertleşmesini sergilediğini keşfettik.”
Kolloidal kristallerde iş sertleşmesinin ilk kez gözlemlendiği bu çalışma, sürecin esas kusurları ve geometrisi tarafından yönetildiğini ortaya ortaya çıkıyor. Kristaller, yer değiştirme kusurlarının kusurlarının nasıl etkileşip karıştığı nedeniyle daha da güçlendi.
Bu bulgular, tüm taramalar (optik mikroskoplarla incelenemeyenler de dahil olmak üzere) daha yaygın olarak uygulanabilecek iş sertleştirme Mekanizmalarını göstermektedir. Bu kusurların çok yüksek oranda içermesi nedeniyle, bu yumuşak kolloidal kristaller bu kadar yüksek iş sertleştirmesi gösterir.
Bu araştırma, insanların daha güçlü hale gelmesiyle ilgili genel bir varlığın ortaya çıktığını ortaya koyuyor. Mallinckrodt Fizik ve Uygulamalı Fizik Profesörü ve makalenin ortak yazarlarından David A. Weitz, “Bunlar olağanüstü: Çok yumuşak olmalarına rağmen, sertleştirme onları bilinen en güçlü özellikler haline getiriyor.” diyor.
Kaynaklar:
1. https://phys.org/news/2024-09-materials-stronger-deformed-universal-mechanisms
2. Seongsoo Kim ve diğerleri, Kolloidal kristallerde iş sertleştirme , Doğa (2024).
Haberi Derleyen: Selin Karavul – Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümü Öğrencisi
