Цвет:
Размер шрифта:
а
а
а
Интервал:
Изображения:
Вкл
Выкл
Все разделы

Металлические стекла, квазикристаллы и графен — открытия, меняющие мир

22 ноября 2018 913
Поделиться
15.05.21 913
Поделиться

21 ноября цикл лекций Профессорского собрания УрГПУ продолжил доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой физики и математического моделирования ИМФИиТ профессор Валерий Сидоров. Преподаватели и студенты УрГПУ познакомились с темой «Металлические стекла и другие материалы ХХI века». Лекция была рассчитана на самый широкий круг слушателей, профессор в максимально доступной непосвященным форме рассказал об открытиях и исследованиях в области материаловедения. 

В начале лекции Валерий Евгеньевич продемонстрировал аудитории несколько роликов, дав возможность увидеть «живьем» атомы разных материалов. Электронный микроскоп дает все большее увеличение, на экране стремительно меняются цифры, и, наконец, при увеличении более чем в два миллиона раз, становится видна кристаллическая решетка из атомов. Но у бетона такой решетки, правильного расположения атомов мы не видим, даже при увеличении в 8 миллионов раз — в отличие от стали и керамики. 

В последней четверти ХХ века возникла идея создания металлических сплавов без кристаллической решетки, которые должны, благодаря характерной структуре, обладать рядом особых свойств: повышенной прочностью, упругостью, стойкостью к коррозии, пластичностью. 

Расплав — жидкое расплавленное состояние вещества при температурах в определенных границах, удаленных от критической точки плавления и расположенных между температурами плавления и кипения. На практике расплавами, как правило, называют те вещества, находящиеся в жидком агрегатном состоянии, которые при нормальных условиях существуют исключительно или преимущественно в твердом агрегатном состоянии.

Полученные в результате исследований материалы получили название — аморфные металлические сплавы (АМС). Исследованиями этих сплавов занимается НИЦ «Расплав», которым руководит профессор Валерий Сидоров

Аморфные сплавы, в отличие от обычных, обладают гибкостью и прочностью одновременно. Лектор продемонстрировал образец аморфной ленты, полученной в лаборатории НИЦ «Расплав». Толщина ее — менее 50 микрон, ее можно легко гнуть, не ломая. Оказывается, производство таких лент было освоено на заводе ВИЗ, а использовались они для изготовления сердечников для силовых трансформаторов, которые из громоздких стали компактными — электросварщик стал ходить на работу с чемоданом. 

Лектор рассказал о существующих на сегодняшний день способах получения аморфных сплавов и объемных аморфных сплавов, об установках для их производства, промышленных и лабораторных. 

Новой революционной вехой в истории аморфных сплавов стало создание исследователями в США объемных аморфных сплавов (BMG — bulk metallic glasses) или «объемных металлических стекол». Такой сплав по своим свойствам похож на обычный металл, но при этом может принимать различные формы, как пластик. Одним из первых изделий из такого сплава стали клюшки для гольфа. Область промышленного применения BMG расширяется — например, из них стали делать медицинские имплантаты, а физики Йельского университета нашли способ формовки аморфных металлов, позволяющий получать заготовки сложной геометрической формы: возможно, скоро из такого сплава будут делать корпуса для смартфонов. 

— Невозможно получить хороший аморфный сплав без соответствующей подготовки расплава, — отметил Валерий Евгеньевич. — А соответствующая подготовка невозможна без хорошего знания свойств этого расплава. И вот мы у себя на кафедре и в НИЦ изучаем физические свойства сплавов, преимущественно в жидком состоянии. 

Стеклообразующая возможность — склонность расплавов к формированию аморфного состояния при быстром охлаждении.

Профессор поделился научными проблемами, над которыми сейчас работает НИЦ «Расплав»: в частности, стоит задача найти подходящие добавки в аморфные сплавы из железа и кобальта, которые могли бы улучшить их стеклообразующую способность, а значит, сделать пригодными для более широкого промышленного использования. Пришли к выводу, что свойства АМС улучшает добавление таких компонентов, как галлий и цирконий, и обнаружили параметр, который позволяет заранее оценить, как та или иная добавка повлияет на стеклообразующую возможность расплава.

Последняя и, пожалуй, самая интересная для неспециалистов часть лекции, была посвящена материалам XXI века. 

Профессор рассказал об уникальном углеродном материале — графене, честь изобретения которого принадлежит работающим за рубежом нашим соотечественникам — выпускникам МФТИ Константину Новоселову и Андрею Гейту. В 2010 году они получили Нобелевскую премию по физике за новаторские эксперименты, касающиеся графена. А выполнены эти давшие фантастический результат исследования были буквально «на коленке»: изучали частички обычного графита, прилипшие на скотч, — среди них и был обнаружен графен, ранее неизвестная форма углерода толщиной в 1 атом, революционный материал XXI столетия. Этот самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности. Возможно, из графена научатся делать одежду и замену такому экологически вредному материалу как пластик. 

Еще один материал XXI века — квазикристаллы, открытые в 1984 году израильским ученым Даниэлем Шехтманом. Они представляют из себя сплавы металлических элементов с уникальными свойствами: у них низкая теплопроводность, а их электрическое сопротивление падает с ростом температур, в то время как у обычных металлов оно растет. Сейчас квазикристаллы используются в авиационной и автомобильной промышленности в виде легирующих добавок, а впервые были использованы как антипригарное напыление на сковородки. Валерий Евгеньевич показал фотографию нобелевского лауреата Даниэля Шехтмана рядом с профессором кафедры физики и математического моделирования Петром Попелем, в 1980–90 гг. работавшим в этой же области, и подаренную Шехтманом российскому коллеге модель структуры квазикристалла. Еще один любопытный факт: квазикристаллы найдены в природе впервые — на территории нашей страны. 

Важной информацией к размышлению, особенно для студентов младших курсов ИМФИиТ, стало сообщение профессора, что на сегодня самый неизученный объект — жидкость: 

— Сейчас в физике есть хорошая модель для описания свойств газа, металлических твердых тел, и практически нет модели для описания свойств жидкости. 

От имени слушателей за доходчивость и красоту подачи материала Валерия Евгеньевича поблагодарил начальник управления научно-образовательной и проектной деятельности Иван Попп

— Я думаю, если бы мне так преподавали физику в школе, я обязательно поступил бы в наш университет на соответствующее направление! 

Ближайшее мероприятие Профессорского собрания пройдет 28 ноября — методологический семинар «Инклюзивное образование: подходы к развитию и реализации» проведут доктора педагогических наук Ольга Алмазова и Евгения Казаева. А 5 декабря будет представлена профессорская лекция Наталии Васягиной, доктора психологических наук, на тему «Российская семья в эпоху перемен».

Пресс-служба УрГПУ
Текст: Ксения Волянская
Фото: Василий Васильев