Dlouholetí spolupracovníci, profesor Pavel Lejček z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR v Praze a profesor Mojmír Šob z Ústavu chemie Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity významně přispěli k poznání vlastností materiálů. Zjistili, jak se chovají nečistoty ve struktuře materiálů, a co je potřeba udělat, aby slitiny vydržely například i velmi extrémní teploty. Jejich studii nedávno publikoval prestižní časopis Progress in Materials Science, který podle platformy Web of Science stojí výše než 60 procent časopisů ze skupiny Nature.
Na podrobnosti o výzkumu hromadění nečistot v materiálech jsme se zeptali profesora Šoba.
Laik se na začátku určitě zeptá, jaké nečistoty asi mohou být v materiálech. Můžete to vysvětlit?
Je třeba říct, že nečistoty se najdou v každém materiálu. Látky s čistotou 99,999 procenta se používají jen pro zvláštní účely a jsou velmi drahé. Ve výrobním procesu tak nebývá čistota materiálu příliš vysoká a kromě toho mnohé materiály jsou slitiny, tedy obsahují několik druhů atomů, několik složek. Žádný materiál také není strukturně dokonalý, vždy tam nalezneme nějaké poruchy, nebo jak často říkáme, defekty. Tyto defekty jsou potenciálně slabšími místy daného materiálu a finálně pak určují jeho pevnost, houževnatost a tak dále. Dá se skoro říct (trochu přeháním), že pro rozhodující technologické vlastnosti konstrukčních materiálů jsou důležitější vlastnosti defektů než vlastnosti materiálu samotného. Jak jednou řekl klasik britského materiálového výzkumu, Sir Charles Frank: „Crystals are like people: it is the defects in them that make them interesting.“ – tedy „Krystaly jsou jak lidé: jsou to jejich defekty, které je dělají zajímavými“. To platí nejen pro krystalické materiály, ale pro materiály obecně, zejména pro materiály používané v nejmodernějších průmyslových technologiích.
Ještě relativně dobrá situace nastává tehdy, když jsou defekty takzvaně čisté, čili nejsou „zašpiněny“ atomy nečistot, které se v každém materiálu, i v tom s vysokou čistotou, nacházejí. Toto hromadění neboli segregace nečistot na defektech je totiž často energeticky výhodné, protože v porušených oblastech je pro atomy nečistot více prostoru. Mnohdy má ale segregace nečistot za následek další degradaci technicky významných vlastností materiálů. Existují však také nepříliš časté případy, kdy vlastnosti materiálu naopak vylepšuje. Příkladem je segregace atomů bóru na hranicích zrn v intermetalické sloučenině Ni3Al, kdy hranice se segregovaným bórem jsou odolnější proti lomu a materiál je proto houževnatější, nebo segregace atomů většiny tranzitivních kovů na hranicích zrn v železe, kde vidíme podobný efekt.
Na výzkumu hromadění nečistot v materiálech pracujete řadu let, proč vás toto téma zaujalo a stále zajímá?
Věnuji se této problematice již od začátku devadesátých let. Zajímají mě zejména hranice zrn. Ačkoliv je můj vlastní výzkum převážně teoretický, právě z důvodů možnosti bezprostřední technické aplikace mě toto téma zaujalo. Zde bych měl opět něco vysvětlit. Všichni si dovedeme představit, co je hranice a co je zrno. Co to ale znamená v materiálu? Materiál – i když je krystalický – neobsahuje jen jeden krystal, ale obsahuje miliony takových malých krystalků, které nazýváme „zrna“. Kousek takového materiálu si proto můžeme přibližně představit jako Rubikovu kostku s mnoha kostičkami, se zrny. Ta zrna jsou vzájemně natočená – podobně jako když otočíme jednu vrstvu kostiček v Rubikově kostce: o 10, 20 stupňů, kolik chceme. Uspořádání jednoho krystalu ale nepokračuje do sousedního a vznikají mezi nimi rozhraní – to jsou hranice zrn. V materiálu jsou atomy uspořádány tak, aby došlo na atomární úrovni k co nejhladšímu přechodu z jednoho krystalu do druhého. Přesto tyto hranice zrn představují defekty a jsou tak slabšími oblastmi, zvláště když se „zašpiní“ atomy nečistot, které jsou v každém materiálu.
Před lety jsem navázal spolupráci s profesorem Lejčkem z Fyzikálního ústavu AV ČR v Praze, který je zase převážně experimentálním vědcem. Spolupráce trvá už přes dvacet let. Měli jsme několik společných grantových projektů, při jejichž řešení se jasně ukázalo, jak je spolupráce experimentátora a teoretika užitečná.
Před několika lety jste právě s kolegy z AV ČR dávali dohromady přehled nečistot, které mohou u některých materiálů snížit jejich soudržnost.
Tento docela důležitý článek vyšel v roce 2017 také v časopise Progress of Materials Science, stejně jako náš nynější článek o vlivu entropie. Tehdejší článek představuje spíše přehled a zejména kritické zhodnocení stavu výzkumu segregace příměsí na hranicích zrn v té době. Analyzovali jsme v něm výsledky 256 prací a naše publikace ukazovala trendy a naléhavé otázky v tomto oboru. Za uplynulých osm let byly vyvinuty metody, které nás v této oblasti posunuly kupředu. Z hlediska teorie je to kombinace kvantově-mechanických výpočtů s molekulární mechanikou. Dále byl vyvinut spektrální přístup na určení segregační energie pomocí strojového učení doplněný výpočty vibrační entropie. V experimentální oblasti bych vyzdvihl vývoj metody trojrozměrné atomární tomografie, která umožňuje bezprostřední změření koncentrace příměsí na hranici zrn. Jak v teoretické, tak i v experimentální oblasti jsme na dobré cestě, abychom mohli na vyšší úrovni v tomto výzkumu pokračovat.
V čem je aktuální objev přelomový? Jak lze zjednodušeně vysvětlit entropii a její význam pro vlastnosti materiálů?
Velmi zjednodušeně řečeno, entropie je mírou neuspořádanosti. Liší se proto u strukturně uspořádaného krystalu a u méně strukturně uspořádaných oblastí, jako jsou hranice zrn v materiálu. Vedle energie je entropie důležitou charakteristikou segregace příměsí na hranicích zrn. Problém segregace nečistot na hranicích zrn se důkladně studuje již od začátku šedesátých let, kdy se jednoznačně ukázalo, že havárie reaktoru v britské jaderné elektrárně Hinkley Point byla způsobena segregací atomů fosforu na hranicích zrn v chrom-molybdenové oceli, ze které byla kritická součást vyrobena. Od té doby se nahromadilo velké množství experimentálních údajů o segregaci příměsí a nečistot na hranicích zrn. V poslední době, kdy máme k dispozici výkonné počítače, pak nastal i výpočetní boom v této oblasti. Začalo se využívat i strojové učení a umělá inteligence.
Jenže výsledky experimentů a výpočtů se spolu často neshodují. Důvodem je to, že experiment probíhá za určitých teplot, kdežto výpočet se v drtivé většině případů pro jednoduchost provádí při absolutní nule. A mnoho výpočtářů si zjednodušuje situaci tím, že prohlásí, že entropie je tak nízká, že ji mohou zanedbat, nebo ji prohlásí za nedůležitý nastavitelný parametr. Profesoru Lejčkovi se však nedávno podařilo předpovědět nový typ segregace příměsí na hranicích zrn, který je zcela řízen entropií. A náš nynější článek zahajuje úplně novou etapu ve studiu segregace nečistot na hranicích zrn v materiálech, protože zde jednoznačně ukazujeme, že bez zahrnutí entropie nelze v řadě důležitých případů naměřeným datům dobře porozumět, a ukazujeme také, jakým způsobem se má příslušná entropie zahrnout.
V této souvislosti lze říct, že zde otevíráme jeden z důležitých trendů v této oblasti. Jak říkával Baťa: „Nenapodobovat, být v čele!“ A výsledky nynější studie jasně ukazují, že na entropii opravdu záleží!
Co byste ještě vyzdvihl u tohoto významného výzkumu?
Ten aspekt, že veškerý výzkum prezentovaný v tomto článku byl proveden v České republice. Nepotřebovali jsme také, jak to u těchto vysoce impaktovaných časopisů často bývá, žádného „otevírače dveří“ nebo spoluautora z nějaké významné západní instituce. Naopak, dveře se nám zde otevřely na základě naší vlastní vědecké práce. O to je tedy tento úspěch cennější, protože reprezentuje jen a pouze výsledky české vědy. Jedná se o můj druhý společný článek s profesorem Lejčkem, který byl publikován v tomto opravdu prestižním časopise, což, jak se domnívám, poukazuje na nesporné kvality naší práce a mezinárodní respekt k ní. Pro mě osobně je to pak celkem čtvrtý článek v tomto časopise.
Jsou výsledky výzkumu, jako je ten poslední, přenositelné do praxe, nebo je mezi vaší prací a praxí ještě dlouhá cesta?
Jak to u výsledků základního výzkumu bývá, aplikace v praxi asi nebude bezprostřední, ale nemusí to trvat taky tak dlouho. Možnost brzkého uplatnění bych viděl při vývoji nových progresivních materiálů. V poslední době se jedná třeba o vysokoentropické materiály nebo – a to je zejména důležité – o materiály s nanokrystalickou strukturou. Tam výsledky našeho výzkumu mohou hodně přispět k jejich rozvoji. Segregace příměsí na hranicích zrn je tady totiž docela žádoucí: je jednou z možností, jak takovou strukturu stabilizovat do vysokých teplot. Jenže koncentrace příměsí na hranicích zrn s rostoucí teplotou klesá, a tím se otevírá možnost k růstu zrn a k nežádoucímu vymazání potřebné nanokrystalické struktury. Pokud ale využijeme segregaci příměsí, která je řízena entropií – tedy jev, který v článku detailně diskutujeme, ale který ještě zatím není experimentálně prokázán – pak bude naopak koncentrace příměsi na hranicích zrn růst s rostoucí teplotou a nanokrystalická struktura zůstane zachována i při vysokých teplotách. To ale ještě bude vyžadovat další součinnost experimentálního i teoretického výzkumu.
