Am nua don tíotáiniam, ag déanamh miotail níos láidre, níos saoire, níos inbhuanaithe

I measc na miotal, tá idirdhealú idir láidreacht agus gile an tíotáiniam, friotaíocht creimthe, agus an cumas chun teochtaí foircneacha a sheasamh, go háirithe maidir le hiarratais atá íogair ó thaobh meáchain agus comhshaoil ​​de. Nuair a rinneadh cur síos air den chéad uair ag deireadh an 18ú haois, d'ainmnigh comhriabharnóir an Miotal do na Titans - Déithe a rugadh sa Domhan agus sa spéir i miotaseolaíocht ársa na Gréige.

Ní dhearna an t -am ach luster Tíotáiniam a dhó. "Is eolaí ábhair mé, agus mar sin iarrann daoine orm uaireanta, 'Cad é an ghné is fearr leat?' Maidir le foirgnimh, eitleáin, diúracáin, spásárthaí, agus níos mó, deir sé, "Más mian leat an t -ábhar is láidre ar an méid is lú meáchain, is é an tíotáiniam é. Dá bhféadfaimis, dhéanfaimis gach rud as an Tíotáiniam."

Go deimhin, i gcás dearthóirí tionsclaíocha, an t-ionchas go mbeidh carranna, trucailí, agus eitleáin láidre, éadrom, an-éifeachtach ó thaobh breosla de, mar shampla, nó longa lasta atá frithsheasmhach in aghaidh creimthe, ní mór an tíotáiniam a bheith ina n-aislingí.

An fhadhb? "Tá sé ró-chostasach," a deir Minor faoi chóimhiotail tíotáiniam ghrád tionsclaíoch nó tíotáiniam a d'fhéadfadh a bheith in áit na cruach nuair nach leor na hábhair is láidre, is mó. Tá an costas a bhaineann le tíotáiniam a dhéanamh thart ar shé huaire níos mó ná an costas atá ar chruach dhosmálta. Mar thoradh air sin, tá a chuid úsáidí fós teoranta do chodanna speisialtachta le haghaidh aeraspáis, nithe ardleibhéil cosúil le jewelry, nó iarratais nideoige eile.

Ina theannta sin, níl ach neart measartha ag Tíotáiniam Pure, a mhíníonn Minor. Is féidir é a neartú le heilimintí mar ocsaigin, alúmanam, moluibdín, vanadium, agus zirconium; Mar sin féin, is minic a bhíonn sé sin ar chostas insínteachta - cumas miotail a tharraingt nó a dhífhoirmiú gan briseadh.

Anois, tar éis deich mbliana de thaighde, d'fhéadfadh ré nua don tíotáiniam, lena n -áirítear iarratais innealtóireachta atá leathnaithe go mór, a bheith ag druidim, a bhuí le Minor agus a chomhghleacaithe Berkeley, lena n -áirítear Mark Asta, Daryl Chzan, agus JW Morris Jr, chomh maith le hollamh sa Roinn Eolaíochta agus Innealtóireachta. Tá siad ag fiosrú agus ag déanamh tíotáiniam ar aon bhealaí chun a úsáid phraiticiúil a leathnú le haghaidh feidhmchlár struchtúrach nó innealtóireachta éagsúla a leathnú.

I sraith staidéar, tá léargais chriticiúla nua forbartha ag na taighdeoirí faoi thíotáiniam, lena n-áirítear oidis chun cóimhiotail tíotáiniam níos fearr a dhéanamh chomh maith le teicníc chrió-bhriste chun tíotáiniam grád tionsclaíoch a dhéanamh-dul chun cinn a d'fhéadfadh déantúsaíocht níos éifeachtaí agus níos inbhuanaithe a bheith mar thoradh air.

Líníocht scéimreach den phróiseas cryo-mheicniúil a mbíonn tíotáiniam nanotwinned mar thoradh air.

(Léaráid le Andrew Minor)

An conundrum ocsaigine

Tá sé tábhachtach a thuiscint nach bhfuil costas tíotáiniam mar gheall ar a neamhchoitianta. Ní miotal lómhar é an Tíotáiniam; Ina ionad sin, tá sé le fáil beagnach i ngach áit ar fud an domhain, i gcarraigeacha bruite in aice leis an dromchla. Is é an naoú eilimint is flúirsí sa Domhan agus an ceathrú miotal is flúirsí, agus is féidir é a úsáid chun rudaí a dhéanamh ina fhoirm íon agus mar chóimhiotal.

Ina áit sin, is é an rud a spreagann an costas iomarcach a bhaineann le tíotáiniam grád tráchtála, Minor, an próiseas casta kroll is minice a úsáidtear chun barraí tíotáiniam, tinní, agus cineálacha eile miotail a dhéanamh is féidir a dhéanamh i gcodanna inúsáidte agus i dtáirgí eile. Áirítear leis an bpróiseas úsáid a bhaint as ábhar costasach mar ghás argón, agus tá sé dian ar fhuinneamh, a éilíonn leáite iolracha ag teochtaí an-ard, go háirithe chun eisíontais ocsaigine a rialú.

Go deimhin, tá caidreamh dochreidte ag tíotáiniam agus ocsaigin, ceann a raibh mionaoiseach, Asta, Chrzan, Morris, agus a chomhghleacaithe ag iarraidh a thuiscint níos fearr. Bhí a fhios ag an bhfoireann go n -úsáidtear eisíontas ocsaigine go minic le haghaidh cóimhiotail tíotáiniam chun leas a bhaint as éifeacht neartú láidir. Is féidir le tíotáiniam a dhéantar le méadú beag bídeach ar an méid ocsaigine adamhach a bheith mar thoradh ar mhiotal le méadú ar an neart.

Ar an drochuair, is féidir leis an ocsaigin laghdú níos mó a thabhairt ar insínteacht na miotail freisin. Éiríonn sé sobhriste agus briseadh agus briseadh.

Ach "tá ocsaigin i ngach áit," a deir Minor faoin deacracht a bhaineann le haistriú a dhéanamh ar ardfhreagrúlacht an Tíotáiniam ar ocsaigin. "Ní eisíontas éigin é a thagann ón mbunábhar is féidir leat a sheachaint."

Tá sé mar thréith ag íogaireacht an tíotáiniam i leith ocsaigine mar an -mhór. "Tá sé fíor aisteach cé chomh cumhachtach is atá sé," a deir Minor. Cuireann sé éifeachtaí ar an miotal, go maith agus go dona, ach tá láithreacht méideanna ocsaigine comhchosúil neamhshuntasach do mhiotail cosúil le alúmanam agus cruach toisc gur féidir déileáil leis i bpróiseáil i bhfad níos éasca.

Chun níos mó a fhoghlaim, chas an fhoireann ar ríomhaireacht ardfheidhmíochta chun an próiseas dífhoirmithe i dTíotáiniam a mhúnlú faoi strus agus le méideanna éagsúla ocsaigine. Deir samhlacha ríomhaireachta, ASTA, go bhfuil “sraith chumhachtach uirlisí ann a ligeann dúinn imscrúdú a dhéanamh ar an dúshlán iontach seo i miotalóireacht tíotáiniam.”

As mórfhionnachtana na foirne, bhí an -chuid adamh ocsaigine i struchtúr criostail tíotáiniam nuair a bhíonn an miotal faoi strus ríthábhachtach chun tuiscint a fháil ar chaillteanas insínteachta. I stát neamh-bhrú, tá móilíní ocsaigine ina gcónaí gan eachtra i mbearnaí nádúrtha idir adaimh tíotáiniam. Ach faoi fhórsaí meicniúla, is féidir leis na hadaimh ocsaigine suaitheadh ​​a dhéanamh ar spásanna in aice láimhe nuair a sholáthraíonn siad níos lú frithsheasmhachta do dhíscaoileadh a lagaíonn an miotal má scaipeann siad.

"Cuireann an ocsaigin laige struchtúrach chun cinn," a deir Minor. De réir mar a dhéanann fórsaí meicniúla an mhiotal a dhífhoirmiú, is féidir leis na hadaimh ocsaigine easáitithe, seachas leathadh lochtanna struchtúracha a bhlocáil, duillín planar mar a thugtar air a éascú.

Deir duillín planar, Asta, go bhfuil sé cosúil le lochtanna i struchtúr criostail na miotail a thógann ceann ar an taobh eile, as a dtiocfaidh bristeacha, scoilteanna agus píosa miotail sobhriste.

Chun tuiscint a fháil ar an dóigh ar féidir le dí -áitiú a fhoirmiú agus a scaipeadh i dTíotáiniam, molann Chrzan léirshamhlú a dhéanamh ar iarracht a dhéanamh rug trom trom a bhogadh.

"Is féidir rug an -mhór a phiocadh suas ag foirceann amháin agus é a tharraingt trasna an urláir go post nua," a deir sé. Ach is bealach eile é chun an rug a bhogadh ná cuimilt a chruthú ag foirceann amháin agus ansin, trí do chosa a shuaitheadh ​​trasna barr an chairpéid, is féidir leat "siúl" an chromán go dtí an taobh eile. Ar choinníoll nach gcuireann aon rud a ghluaiseacht ar fáil, beidh an rubar iomlán díláithrithe ag fad atá cothrom le leithead an chéasta.

Is féidir "cuilithíní" den sórt sin a fheiceáil i dTíotáiniam le micreascópacht leictreon. "Is féidir leat a fheiceáil go bhfuil na díláithriú go léir líonta suas, i sraitheanna," a deir Minor. "Agus tá sé sin dona le haghaidh insínteachta mar má bhíonn siad ag teacht suas agus gan a chéile a leanúint, ní fhaigheann siad suas [agus dá bhrí sin stopann siad] ionas nach n -oibríonn an miotal crua.

Cóimhiotail níos fearr a chruthú

D'fhéadfadh cóimhiotal níos fearr a bheith mar thoradh ar straitéisí dearaidh a chuireann isteach ar an bpróiseas suaitheadh ​​ocsaigine-adamh nó a chuireann nanostruchtúr chun cinn chun stop a chur le sleamhnáin phlánacha ó phíolótú. Bheadh ​​iarratais ag na cóimhiotail seo, go háirithe sna tionscail feithicleach agus aeraspáis, a deir Minor.

Cuireann an tOllamh Andrew Minor nítrigin leachtach ar shampla tíotáiniam, ag taispeáint an phróisis forbraithe cryo a úsáidtear chun tíotáiniam nana-a-chasta a chruthú ina saotharlann. (Grianghraf le Adam Lau / Berkeley Engineering)

Chun aghaidh a thabhairt ar na saincheisteanna seo agus ar shaincheisteanna eile, braitheann an fhoireann ar mheascán de shamhaltú ríomhaireachta, micreascópacht leictreon tarchurtha (TEM), agus módúlachtaí íomháithe eile, agus turgnaimh.

"Ceann de na rudaí a bhí deas faoin tionscadal seo is ea go mbíonn na ríomhairiúcháin agus na teoiricí beagán chun tosaigh uaireanta, agus amanna eile is iad na turgnamhaithe," a deir Asta. "Buailimid go minic agus labhraímid faoinár dtorthaí agus ár gcuid smaointe nua."

Mar thoradh ar staidéar na foirne ar íogaireacht ocsaigine tíotáiniam, mar shampla, rinneadh staidéar ar thíotáiniam a bhí cóimhéid le alúmanam agus ocsaigin. Fuair ​​siad amach go bhféadfaí deireadh a chur le hocsaigin trí mhéideanna beaga alúmanaim a chur leis, go háirithe ag teochtaí crióigineacha, atá faoi bhun -150 céimeanna Celsius.

Leis na méideanna cearta alúmanaim agus ocsaigine, deir an fhoireann, gur chuir ordú nua ar an struchtúr criostail tíotáiniam cosc ​​ar shuaitheadh ​​adamh ocsaigine a chuirfeadh isteach ar dhíspreagadh dochrach agus ar deireadh thiar bristeacha. Ina theannta sin, mar gheall gur laghdaigh tabhairt isteach alúmanaim íogaireacht ocsaigine an tíotáiniam ar an iomlán, laghdófaí costais phróiseála chun miotal inúsáidte a chruthú.

I staidéar eile fós, d'fhéach an fhoireann ar thaighde ag dul ar ais go dtí na 1960í ag taispeáint go dtaispeánann go leor miotail agus cóimhiotail méaduithe drámatúla ar insínteacht nuair a chuirtear bíoga leictreacha tréimhsiúla iad le linn dífhoirmiú na miotail. Ach níl na meicníochtaí bunúsacha a bhaineann leis an gcúis go bhféadfadh an leictreaphlaisteacht mar a thugtar air a bheith fíor.

"Is féidir le leictreaphlaisteacht costais laghdaithe a dhéanamh ar phróiseáil mhiotalóireachta ós rud é go dtógann sé níos lú fuinnimh chun miotail a fhoirmiú le bíoga leictreacha ná an miotal iomlán a théamh go teocht ard chun an inmharthanacht chéanna a bhaint amach," a deir Minor. "Is díol spéise é go bhfuil an éifeacht seo de leictreafacht uilíoch sa mhéid is gur léiríodh go bhfuil sé ag obair do gach miotal go bunúsach, ní hamháin tíotáiniam."

Rinne an fhoireann tástálacha teanntachta ar an miotal faoi thrí choinníoll dhifriúla: teocht an tseomra gan aon sruth leictreach, le cuisle leictreach tréimhsiúil de 100 milleasoicind, agus le sruth leanúnach. Toisc go gcuireann cur i bhfeidhm sruth leictreach na miotail, bhí imní ar an bhfoireann faoi idirdhealú a dhéanamh idir na héifeachtaí agus leictreachas ó na héifeachtaí a tharla de bharr teas.

Léirigh a dtorthaí, in ainneoin go n-úsáidfí cuisle tréimhsiúil níos lú ná staidéir roimhe seo, gur fheabhsaigh an modh reatha pulsed fadú teanntachta an chóimhiotail tíotáiniam chomh maith lena neart uasta. Tugann siad faoi deara nach raibh an éifeacht seo sonrach ach don turgnamh reatha pulsed.

Le cabhair ó TEM chun athruithe a fheiceáil i struchtúr criostail na miotail, tugann a gcuid torthaí le fios go gcuireann an chóireáil reatha bíogach cosc ​​ar dhíscaoileadh duillín planar. Fuair ​​na taighdeoirí go gcruthaíonn an chuisle leictreach an t -ábhar agus cuireann sé bac ar fhorbairt duillín planar trí phatrún idirleata, dí -ocsaídithe 3D a choinneáil a sheachadann neart agus insínteacht ard sa deireadh.

Tíotáiniam Nanotwinned

Le déanaí, d'fhorbair Minor agus Robert Ritchie, Ollúna na hEolaíochta Ábhair agus na hInnealtóireachta Meicniúla, modh próiseála ceannródaíoch ceannródaíoch chun tíotáiniam íon a dhéanamh atá níos saoire agus a thugann miotal le neart agus insínteacht teanntachta níos mó.

Eolaíocht Ábhair agus Ollúna Innealtóireachta (ó chlé) Daryl Chrzan, Mark ASTA, agus Andrew Minor leis an Tionscadal Micreascóp Ceartaithe le Foireann I (Transmission Electron Aberration) ag Ionad Náisiúnta Micreascópacht Leictreon Berkeley Lab. (Grianghraf le Adam Lau / Berkeley Engineering)

Chomh maith le cóimhiotail, is bealach eile chun miotail struchtúracha a neartú ná méid na gcriostal a chur in oiriúint - ar a dtugtar grán freisin - a dhéanann suas an miotal trí theas agus próiseáil mheicniúil a úsáid, mar shampla rolladh nó brú. Trí mhéid an ghrá a laghdú go fo-mhicriméadair nó nanaiméadar, is féidir le taighdeoirí struchtúir nanotwinned mar a thugtar orthu a thabhairt isteach, nó lochtanna sa mhiotal de bharr struchtúir chriostal ailínithe. Feabhsaíonn na struchtúir nanaotwinned neart agus laghdaíonn siad an baol briste trí ghníomhú mar bhac ar dhuillíní planar. Trí spásáil agus treoshuíomh na struchtúr nanaotwinned a chur in oiriúint, deir Minor, is féidir na hairíonna meicniúla a bharrfheabhsú níos faide fós. Ach níl na modhanna traidisiúnta chun é sin a dhéanamh fánach ná saor.

Ina áit sin, thug Minor, Ritchie, agus comhghleacaithe isteach struchtúir il-nanotwinned i dtíotáiniam íon trí phróiseas cryo-mheicniúil. D'úsáid siad píosaí tíotáiniam ciúb-chruthach a bhí brúite ar thrí thaobh i nítrigin leachtach. Rialaíonn an comhbhrú milis, Minor, dlús na struchtúr nanotwinned a neartaíonn an mhiotal agus a chaomhnaíonn a struchtúr gráin tosaigh. Is fearr ar fad, ní bhíonn an próiseas ag brath ar theas dian agus b'fhéidir gur bealach níos inbhuanaithe é chun tíotáiniam a dhéanamh le haghaidh raon feidhmeanna i bhfad níos leithne ná an lá atá inniu ann.

Coinníonn airíonna meicniúla an ábhair chrió-bhrionnaithe, go háirithe neart agus insínteacht, ag teochtaí an-ard agus crióigineacha. Deir Minor go bhfuil feidhmíocht an tíotáiniam nanaotwinned idéalach do rudaí cosúil le hinnill scaird an -te chomh maith le timpeallachtaí oibriúcháin an -fhuar a thabharfadh le fios go bhfuil úsáidí cosúil le fáinní a choinneáil le haghaidh maighnéid mhaoirseachta, codanna struchtúracha de umair gháis nádúrtha leachtaithe, chomh maith le hábhair le bheith nochta do thimpeallachtaí domhain nó do dhoimhne.

Nuair a fiafraíodh de an bhféadfaí an próiseas monaraithe tíotáiniam grád tráchtála nua a thabhairt chun scála lá amháin go luath, a deir Minor, cén fáth nach bhfuil? Tá sé níos deacra rudaí a dhéanamh cosúil leis an bpróiseas Kroll a úsáidtear inniu, áit a gcaithfear an t -ábhar a leithlisiú go leictreach agus tógann an próiseas iomlán méideanna ollmhóra cumhachta. "Agus an brístiú cryo seo, bheimis díreach ag cur rudaí i ndabhach."