Wyrusz w podróż do świata wiedzy

Magia siły magnetycznej

W ich pracowniach stoją małe hutnicze piece, mikroskopy oraz zbiorniki z ciekłym azotem. Za ich pomocą wytwarzają i badają między innymi stopy metali. Oto ciąg dalszy opowieści o eksperymentach materiałoznawców.

magia sily magnetycznej 1 Ostatnio pisaliśmy o materiałach z pamięcią kształtu, które na zmianę temperatury otoczenia reagują zmianą budowy mikro- i makroskopowej. Dziś doktor Krystian Prusik z Zakładu Badań Strukturalnych Instytutu Nauki o Materiałach Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach opowiada nam o materiałach z magnetyczną pamięcią kształtu.

Pole magnetyczne to pewien stan przestrzeni, w którym określone siły (np. Siła Lorentza) działają na ładunki elektryczne. To – innymi słowy – przestrzeń wokół poruszającego się ładunku.

W materiałach z magnetyczną pamięcią kształtu zmiana wymiaru obiektu następuje pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. A materiał możemy wytrenować tak, aby pamiętał kształt i pod wpływem pola magnetycznego wydłużał się, skracał, skręcał bądź zginał. Odpowiedź układu na zmianę pola magnetycznego jest znacznie szybsza, niż w wypadku konwencjonalnych stopów z pamięcią kształtu aktywowanych przez temperaturę. Zmiana kształtu obiektu w tych stopach może następować zgodnie z dwoma mechanizmami: albo dochodzi do reorientacji wariantów płytek martenzytu (przesuwanie się granicy między kolejnymi płytkami martenzytu, co generuje w efekcie zmianę kształtu), albo do indukowanej, odwrotnej przemiany martenzytycznej (wtedy różnica kształtu wynika z różnicy kształtu nanoobiektów – zmienia się geometria tych „nano-klocków”). Skomplikowane? Niekoniecznie. Martenzyt to faza organizacji materii, charakteryzująca się pewnym specyficznym i sekwencyjnym ułożeniem płaszczyzn atomowych w przestrzeni.

Co ciekawe – w efekcie przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego zmiana kształtu może wynosić aż 12%! Wydłużenie metalu o 12%? Tak to możliwe. A zatem przedmiot o długości 100 centymetrów po przyłożeniu pola magnetycznego „urośnie” aż o 12 centymetrów. Jest to jak dotychczas największa obserwowana wartość efektu spośród wszystkich materiałów znanych we wszechświecie. Taka transformacja jest niezwykle przydatna np. w aktuatorach magnetycznych (siłownikach), gdzie wymagana jest precyzyjna zmiana kształtu oraz możliwy uzysk siły i naprężenia. Siłowniki takie można będzie stosować w mikropompach, detektorach czy sensorach.

Ponadto, stopy te wykazują gigantyczny efekt magnetokaloryczny. W dużym uproszczeniu jest to zmian temperatury obiektu (lub układu) na skutek działania pola magnetycznego. Taki materiał może być więc użyty jako medium chłodzące na przykład w lodówkach i chłodziarkach przyszłości.

magia sily magnetycznej 2Dr Krystian Prusik próbuje znaleźć odpowiedź na pytanie, czy (i w jakim stopniu) możliwe jest uzyskanie materiału polikrystalicznego z magnetyczną pamięcią kształtu. Przedmiotem jego zainteresowań są właśnie polikryształy, których wytwarzanie jest o wiele tańsze, niż hodowla monokryształów (pisaliśmy o tym tutaj).

Chciałby znaleźć sposób wytwarzania z steksturowanych polikrystalicznych materiałów z magnetyczną pamięcią kształtu, czyli takich, które posiadają preferowaną wewnętrzną orientację. Gdyby ziarna mikrostruktury nie były rozlokowane statystycznie, tańsze polikryształy byłyby istotną z punktu widzenia gospodarki i przemysłu konkurencją dla monokryształów. Gra toczy się o nadawanie określonej orientacji między innymi stopom na bazie niklu, manganu, galu, kobaltu i indu.

Praca materiałoznawców jest trudna o tyle, że tworzą oni swój warsztat niemal od podstaw. Najpierw studiują teorię, następnie projektują i budują „małe piece hutnicze” (np. łukowe lub indukcyjne), w których przygotowują stopy. Do badań stosują między innymi metody magnetyczne, kalorymetryczne i wytrzymałościowe. Strukturę materiałów określają za pomocą metod rentgenowskich oraz skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej. W końcu próbują określić możliwe zastosowania dla badanych stopów. Laboratoria Instytutu Nauki o Materiałach mieszczą się w Śląskim Międzyuczelnianym Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych w Chorzowie.