Šiame tinklaraščio įraše nagrinėjami metalo difuzijos technologijos principai ir aiškinamasi, kokie pokyčiai būtų buvę įmanomi, jei ji būtų buvusi pritaikyta laivo korpuso konstrukcijai tuo metu, kaip atvejo analizę naudojant „Titaniko“ – XX a. pradžios technologijos simbolio – nuskendimą.
1912 m. balandžio 10 d. iš Sautamptono (Anglija) išplaukęs laivas atsitrenkė į ledkalnį ir nuskendo, jo korpusas perskilo į dvi dalis. Šios katastrofos, nusinešusios 1,500 iš 2,200 keleivių gyvybes, tragiškasis protagonistas buvo ne kas kitas, o garsusis „Titanikas“. Tuo metu „Titanikas“ buvo laikomas technologijų viršūne, besigiriusiu „neskandinamo“ titulu. Vis dėlto, nepaisant šios reputacijos, „Titanikas“ nuskendo savo pirmosios kelionės metu. Nors tuo metu žmonės tai galėjo laikyti paprasta avarija, „Titaniko“ nuskendimas akivaizdžiai atskleidė šiuolaikinių technologijų ribotumą.
Kas būtų, jei „Titaniko“ korpusas būtų buvęs tvirtesnis anuomet? Galbūt būtų buvę galima išvengti susidūrimo su ledkalniu ir nuskendimo tragedijos. Be to, filmas „Titanikas“, kuriame vaidino Leonardo DiCaprio, galbūt niekada nebūtų pasirodęs. Šis filmas iki šiol išlieka amžiaus šedevru, giliai sujaudinęs daugybę žmonių. Jei ne „Titaniko“ katastrofa, neturėtume tiek daug emocijų ir prisiminimų, kuriuos sukelia šis filmas. Tai puikus pavyzdys, kaip istorijos puslapis gali paveikti meną ir kultūrą.
Tačiau jei „Titaniko“ korpuso statytojas būtų gerai supratęs metalų „difuziją“, laivas galbūt nebūtų nuskendęs. Jei jie būtų supratę difuziją ir tinkamai pakoregavę metalo tvirtumą, „Titaniko“ tragedija, kokią mes ją žinome šiandien, galbūt niekada nebūtų įvykusi.
Išgirdę žodį „difuzija“, dažnai įsivaizduojame ore sklindantį kvepalų kvapą arba vieno rašalo lašo, susimaišančio su vandeniu, mišinį. Iš tiesų, kai kurie žodynai difuziją apibrėžia kaip reiškinį, kai molekulės dujose ar skystyje plinta iš didesnio tankio ar koncentracijos sričių į mažesnio tankio ar koncentracijos sritis. Nors šis paaiškinimas suteikia svarbų pagrindą difuzijai suprasti, difuzija kietose medžiagose, tokiose kaip metalai, apima sudėtingesnį mechanizmą. Tai, kad difuzija vyksta kietose medžiagose – medžiagose, kurios atrodo standžios ir neteka kaip vanduo ar oras, – gali atrodyti šiek tiek neįprasta. Vis dėlto difuzija metaluose vyksta dažnai, nors ir ne pastebimai greitai, ir tai yra labai svarbus veiksnys, lemiantis mūsų naudojamų metalo gaminių savybes ir eksploatacines savybes.
Automobilių varikliai, pavaros ir plieninės plokštės, naudojamos orlaiviuose ir laivų korpusuose, yra pagamintos iš lydinių. Net nerūdijančio plieno virtuvės reikmenys, randami virtuvėse visoje šalyje – daugelis mums žinomų metalų – yra pagaminti iš lydinių, o ne iš grynų metalų, siekiant padidinti stiprumą. Vienas plačiai naudojamas šių lydinių gamybos metodas yra metalų „difuzija“. Metalų difuzija – tai atomų judėjimas, vykstantis dviejų skirtingų medžiagų sąsajoje, kai jos liečiasi. Šio proceso metu susidaro nauji lydiniai, kurie keičia ir stiprina metalo savybes.
Yra du pagrindiniai metalų difuzijos mechanizmai: vakansinė difuzija ir intersticinė difuzija. Pirmiausia panagrinėkime vakansinę difuziją. Metalai yra atomų sankaupos, sujungtos metaliniais ryšiais. Net metalai, kurie paviršiuje atrodo lygūs ir kieti, turi tuščių erdvių arba vakansijų. Vakansinė difuzija reiškia atomų difundavimą per šias tuščias erdves. Kai metalo atomas persikelia į gretimą vakansiją, jo užimta vieta vėl tampa tuščia, todėl kitas gretimas atomas persikelia į tą naują vakansiją. Šis procesas vyksta gana lėtai, tačiau sukelia reikšmingus metalo mikrostruktūros pokyčius.
Antrasis mechanizmas, intersticinė difuzija, skiriasi nuo vakansinės difuzijos ir dažnai stebimas metaluose, kur atomų dydžiai labai skiriasi. Jame mažesni atomai juda į tarpus tarp didesnių atomų. Palyginti su vakansine difuzija, kai judėjimo tikimybė yra maža dėl mažesnio vakansijų skaičiaus, palyginti su atomų skaičiumi, intersticinė difuzija paprastai vyksta greičiau. Įsivaizduokite kambarį, beveik pripildytą panašaus dydžio golfo ir stalo teniso kamuoliukų; tai vaizduoja vakansinę difuziją. Kambarys, pripildytas labai skirtingo dydžio boulingo ir stalo teniso kamuoliukų, vaizduoja intersticinę difuziją. Įsivaizduokite kamuoliukų judėjimą kiekviename scenarijuje. Intersticinė difuzija, vykstanti tarp atomų, kurių dydžiai labai skiriasi, daugiausia stebima dujų ir kietosios medžiagos sąsajoje.
Difuzija yra reiškinys, kuriam įtakos turi laikas. Todėl laikui bėgant elgseną galima suskirstyti į du atvejus: pastoviosios difuzijos ir nestacionariosios difuzijos atvejus. Skiriamasis veiksnys tarp pastoviosios ir nestacionariosios difuzijos yra difuzijos srautas. Čia difuzijos srautas reiškia masės kiekį, difunduojantį per laiko vienetą ir ploto vienetą, statmeną metalo ir metalo arba metalo ir dujų sąsajai. Tarkime, kad metalai A ir B liečiasi. Jei atomų, judančių iš A link B, kiekis yra lygus atomų, judančių iš B link A per tą patį laikotarpį, kiekiui, todėl grynasis difuzijos srautas yra nulis, tai vadinama pastoviosios difuzijos būsena. Pastoviosios difuzijos metu atomų judėjimo kiekis kiekviena kryptimi yra vienodas. Nors difuzija iš tikrųjų vyksta, atrodo, kad difuzija nevyksta. Ir atvirkščiai, nestacionarioji difuzija apibūdina būseną, kurią dažniausiai stebime beveik visose situacijose. Dominuoja atomų difuzija viena kryptimi, o tai reiškia, kad difuzijos srauto vertė nėra lygi nuliui net ir atsižvelgiant į atomų difuziją priešinga kryptimi. Pavyzdžiui, jei A atomai juda link B 3 atomų greičiu per laiko vienetą ir ploto vienete, o B atomai juda link A 5 atomų greičiu per laiko vienetą ir ploto vienete, difuzijos srauto vertė būtų +2 atomai link A. Išoriškai atrodytų, kad tik B atomai juda link A 2 atomų greičiu.
Dabar ištyrėme, kaip vyksta difuzija metaluose. Metalai yra būtini mūsų gyvenime, ir jų svarba nuolat auga. Nuo plieninių plokščių, naudojamų dideliuose laivuose, lėktuvuose ir automobiliuose, iki kasdienių daiktų, tokių kaip išmaniųjų telefonų dėklai ir virtuvės reikmenys, metalai persmelkia beveik kiekvieną mūsų gyvenimo aspektą. Argi ne žavu, kad metalai, kurie atrodo kieti ir statiški, iš tikrųjų aktyviai difunduoja? Net ir šiuo metu metalai nuolat difunduoja ir virsta stipresniais, naujais lydiniais. Šios dinamiškos metalų savybės supratimas ne tik pagilina mūsų supratimą apie kasdienį gyvenimą, bet ir atliks lemiamą vaidmenį būsimoje technologinėje pažangoje.
