V tej objavi na blogu bomo raziskali, kako nepopolnosti v materialih vplivajo na njihove lastnosti in uporabo ter zakaj so nepopolnosti pravzaprav ključni dejavnik, ki povečuje vrednost materiala.
Beseda »nepopolnost« ni všeč mnogim ljudem. Ljudje imajo raje popolnost in če obstaja vsaj majhna nepopolnost, jo poskušajo nekako odpraviti. Za ljudi so nepopolnosti vir tesnobe. Vendar pa so nepopolnosti v materialih nekoliko drugačne. Čeprav lahko nepopolnosti oslabijo material, mu dajo tudi različne lastnosti, zaradi česar je za nas še bolj dragocen.
Ko pogledate čudovito brušen dragi kamen ali mineral z zapleteno izdelano kristalno strukturo, se zdi, da je popolna snov brez ene same napake. Vendar pa tudi v njih obstajajo nepopolnosti. Napake obstajajo v skoraj vseh materialih s kristalno strukturo in igrajo ključno vlogo pri spreminjanju različnih fizikalnih in kemijskih lastnosti materiala.
Napaka se nanaša na stanje, v katerem je del pravilno razporejene kristalne strukture popačen, zaradi česar kristalna razporeditev postane neurejena. To vključuje situacije, ko so nekateri pravilno razporejeni atomi zapustili svoje položaje in izginili, ko so drugi atomi zasedli njihovo mesto ali ko so atomi vstopili v vrzeli namesto v svoje prvotne položaje. Napake se razvrščajo v točkovne, linijske in ravninske napake, odvisno od njihove oblike in obsega. Točkovna napaka je napaka, ki se pojavi na ravni enega samega atoma; linijska napaka je enodimenzionalna linearna napaka; ravninska napaka pa se nanaša na strukturno popačenje, ki se pojavi na dvodimenzionalni ravnini.
V pravilni kristalni strukturi lahko nekateri atomi izginejo, kar povzroči prosta mesta, ali pa atomi zdrsnejo v vrzeli v kristalni mreži. Ko se pojavi prosto mesto – kjer manjka atom – se okoliški atomi premaknejo, da zapolnijo prazen prostor, kar povzroči deformacijo strukture. Nasprotno pa, ko se pojavi vmesna napaka, na novo vneseni atom premakne okoliške atome in popači kristalno strukturo. Dislokacija, tipičen primer linijske napake, nastane, ko je ravnina kristalne strukture prekinjena na sredini, kar povzroči nenehno deformacijo v okoliški kristalni razporeditvi.
Te napake v materialu destabilizirajo okoliško strukturo. Vendar pa ta nestabilnost dejansko olajša kemijske reakcije okoli napak in s premikanjem napak omogoča kovinam lažjo deformacijo ter spodbuja aktivno difuzijo drugih atomov. Zaradi te visoke reaktivnosti in mobilnosti se materiali lahko široko uporabljajo na različnih industrijskih področjih.
Pregled artefaktov iz obdobja Treh kraljestev razkriva še posebej veliko število zlatih obrti. To lahko razumemo kot odličen primer učinkovite izrabe značilnosti notranjih kovinskih napak. Deformacija kovine s pravilno kristalno strukturo zahteva zelo veliko silo, saj je treba vezi med atomi prekiniti vse hkrati. Ko pa so prisotne dislokacije, se celotna kristalna struktura ne premakne naenkrat; namesto tega se dislokacije premikajo postopoma, zaradi česar se atomske vezi prerazporedijo zaporedno. Posledično se kovina lahko deformira z veliko manj energije. Zlato je kovina, pri kateri se to gibanje dislokacij odvija zelo enostavno, kar ji daje izjemno duktilnost in kovnost. Zaradi teh lastnosti ga je bilo mogoče enostavno valjati v tanke plošče ali oblikovati v kompleksne oblike, zaradi česar se pogosto uporablja pri izdelavi različnega nakita in obrti.
Postopek, s katerim kovač večkrat kladivom kuje razžgano kovino, da bi koval nož, je prav tako tesno povezan z napakami. Medtem ko se kovine zlahka deformirajo zaradi premikanja dislokacij, se med nadaljnjim delom število dislokacij hitro poveča, zaradi česar se prepletajo in trčijo druga v drugo. Zaradi tega se dislokacije težko premikajo, kovina pa postopoma strdi in doseže stanje, ko je ni več mogoče zlahka deformirati.
Na tej točki segrevanje kovine na ustrezno temperaturo sproži procese rekristalizacije in obnavljanja, ki zmanjšajo prekomerno nakopičene dislokacije in tvorijo nove meje zrn. S tem postopkom kovina ponovno doseže stanje, v katerem jo je mogoče enostavno ponovno obdelovati.
Tudi napake igrajo zelo pomembno vlogo v procesu legiranja. Na mestih, kjer obstajajo napake, pride do aktivnih interakcij z atomi nečistoč, kar omogoča drugim atomom lažjo difuzijo v kovino. Posledično se različni atomi porazdelijo znotraj kristalne strukture kovine in spremenijo njene lastnosti, kot so trdnost, trdota in odpornost proti koroziji. Reprezentativen postopek, ki uporablja to načelo, je površinsko utrjevanje (cementiranje). Z omogočanjem difuzije atomov ogljika ali dušika v površino jekla se znatno izboljšata površinska trdota in odpornost proti obrabi; ta tehnika se še danes pogosto uporablja pri izdelavi avtomobilskih in mehanskih komponent.
Danes imajo napake zelo pomembno vlogo tudi v katalitični tehnologiji. Katalizator je snov, ki pospeši hitrost kemijske reakcije, ne da bi se v procesu neposredno porabila. V inženirstvu materialov se reaktanti adsorbirajo na površino trdnega katalizatorja, da se olajša reakcija, in ta adsorpcija se običajno bolj aktivno dogaja na mestih, kjer so prisotne napake. Ker je reaktivnost na mestih napak – kjer štrlijo atomi ali obstajajo praznine – višja kot v običajnih kristalnih strukturah, katalitične reakcije učinkovito potekajo tudi okoli teh napak. V zadnjem času so bile izvedene aktivne raziskave za izboljšanje delovanja katalizatorja z natančnim nadzorom vrste in gostote napak.
Kot take so napake ključni dejavnik, ki nam omogoča obdelavo in uporabo materialov v oblikah, ki si jih želimo. Če bi bili materiali popolnoma brez napak, bi bilo težko izdelati čudovit zlat nakit ali letala in avtomobile iz visokozmogljivih zlitin v njihovih sedanjih oblikah. Čeprav se zdi, da napake pomenijo nepopolnost, v inženirstvu materialov služijo kot ključno izhodišče za ustvarjanje novih funkcij in izjemne zmogljivosti. Pri materialih napake niso pomanjkljivost, temveč ključni element pri ustvarjanju vrhunskih materialov.
