Wytrzymałość

Stal wysokiej jakości ma wytrzymałość równą 1 000 MPa. Tymczasem już w 1923 roku obliczono, że wytrzymałość kryształu zwykłej soli kuchennej powinna wynosić 5000 MPa, a więc pięciokrotnie więcej. Według takich samych obliczeń czyste żelazo powinno mieć wytrzymałość jeszcze większą, bo aż 13500 MPa, czyli ponad 50 razy więcej od rzeczywistej wytrzymałości żelaza technicznego. Co ciekawe, żelazo wcale nie jest najbardziej wytrzymałe. Zwykły grafit, który z łatwością łamiemy nawet podczas ostrzenia ołówka, powinien być bardziej wytrzymały od żelaza i to prawie trzykrotnie. Oznacza to, że na pręcie wykonanym z grafitu o takiej samej grubości jak grafit w ołówku, moglibyśmy zawiesić załadowanego Stara lub cztery Polskie Fiaty 125 p.

Skąd te dane? Na jakiej podstawie dokonano tych obliczeń? Zanim odpowiemy na to pytanie, przypomnijmy sobie, ze metale, podobnie jak sól kuchenna, mają budowę krystaliczną. Budowa siatki krystalicznej metali jest różna, ale wspólną cechą wszystkich jest to, że ich siatka krystaliczna utworzona jest z atomów pierwiastka, przy czym powstanie tej siatki zawdzięczamy siłom wiązań między atomami. I tu kryje się odpowiedź na postawione pytanie. Właśnie na podstawie obliczeń sił przyciągania między atomami siatki krystalicznej można obliczyć wytrzymałość teoretyczną materiałów.

Niestety, teoretyczne obliczenia wskazują nam tylko kierunek poszukiwań, a nie dają praktycznych efektów. Ażeby otrzymać wytrzymałość żelaza równą obliczonej, musielibyśmy wytworzyć idealnie jednorodne monokryształy. Kryształy, w których występowałyby same tylko atomy żelaza bez obcych domieszek. Ponadto wszystkie atomy powinny być ułożone bardzo regularnie, tak aby atom umieszczony w narożu jednego kryształu elementarnego był równocześnie elementem sąsiedniej cząstki elementarnej.

Mamy więc do pokonania dwie trudności: pierwszą-zanieczyszczenia w kryształach i drugą – niejednorodność ich budowy. Czy potrafimy tego dokonać?

Współcześni fizycy, a coraz częściej i elektronicy „życzą sobie” i, co ważniejsze, otrzymują monokryształy germanu (jeden z ważnych półprzewodników) o czystości „siedmiu dziewiątek'. Oznacza to, że w półprzewodnikowym monokrysztale germanu powinno być 99,99999% germanu. Jeden tylko atom obcego pierwiastka na 10 milionów atomów germanu.

Zdjęcie powyżej przedstawia fotografię kryształu wykonaną przy użyciu mikroskopu elektronowego powiększającego dwa miliony razy. Regularność budowy tego kryształu została zakłócona przez jeden tylko obcy atom. Skutkiem takiego właśnie defektu spada wytrzymałość materiału i zmieniają się inne jego właściwości. Niejednorodność budowy, brak uporządkowania atomów w sieci krystalicznej można zlikwidować np. przez wciśnięcie bezładnie rozrzuconych atomów w regularnie zbudowaną siatkę. W ten właśnie sposób ściskając zwykły grafit uzyskujemy szlachetny diament. Niestety, potrzebne do tego ciśnienie wynosi dziesiątki, a nawet setki tysięcy atmosfer. Aby tego uniknąć, stosuje się coraz to nowe, doskonalsze metody „hodowania” idealnie jednorodnych monokryształów.

Metodą hodowania otrzymano już monokryształy wielu metali, w tym również żelaza. Niestety są one cieńsze od ludzkiego włosa i nie dłuższe niż kilka centymetrów. Badania tych monokryształów wykazały prawdziwość obliczeń teoretycznych: monokryształy żelaza miały w przeliczeniu wytrzymałość równą 13360 MPa, a więc zaledwie o 140 mniej MPa niż wytrzymałość wyliczona. Potwierdziła się również obliczona wytrzymałość soli. Wyhodowany olbrzymi monokryształ o długości 60 cm i o średnicy 1 cm, o nadzwyczajnej czystości-jeden obcy atom na miliard atomów chloru i sodu-miał wytrzymałość większą niż najwyższej jakości stal.

Tak doskonałych, tak czystych kryształów nie możemy jednak otrzymać żadną z opisanych wcześniej metod. W procesie otrzymywania syntetycznych kamieni szlachetnych najczęściej nie zależy nam zresztą na takiej doskonałości kryształów, jak wymagają tego fizycy czy elektronicy.