Na żywo obserwować zastyganie metali

Zespół prof. dr. Johna Banharta (pierwszy z prawej) ustanowił rekord świata w 3D tomografii rentgenowskiej. Obecnie pracownicy mogą wykonać 50 tomogramów na sekundę. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Materialoznawcy chcą za pomocą 3D tomografii rentgenowskiej lepiej zrozumieć wzrost dendrytów i w tym celu zwiększyć szybkość wykonywania tomogramów rentgenowskich dwudziestokrotnie.

Gdy obserwujemy metal podczas jego krzepnięcia, wygląda to tak, jakby rosły małe drzewa. Te struktury nazywane są dendrytami, od greckiego słowa déndron oznaczającego drzewo. Dlatego nauka mówi również o wzroście dendrytycznym. Proces ten krzepnięcia jest wysoce złożony i częściowo jeszcze nie do końca zrozumiany. Kto chce obserwować, potrzebuje promieniowania rentgenowskiego, ponieważ tylko one przenikają metal. Do rozwiązania zagadki procesu krzepnięcia dostępna jest teraz odpowiednia metoda – 3D tomografia rentgenowska, ponieważ wzrost dendrytów jest procesem trójwymiarowym i przebiega bardzo szybko.

3D tomografia rentgenowska jest niezwykle szybka. Obecnie pracownicy prof. dr. Johna Banharta mogą wykonywać 50 tomogramów na sekundę. To rekord świata. „Ale dla wzrostu dendrytów to wciąż za mało szybkości”, mówi kierownik zakładu Struktura i Właściwości Materiałów na Politechnice. „Chcemy osiągnąć 1000 tomogramów na sekundę i tym samym po raz pierwszy zastosować tomografię do badania procesu krzepnięcia metali, aby lepiej go zrozumieć.” Termin tomografia wymyślił niedawno zespół Banharta. Naukowcy chcą tym wyrazić ogromną szybkość, którą obecnie osiągają, i odróżnić się od wolniejszej wcześniejszej fazy – trójwymiarowej tomografii.

Niemiecka Fundacja Badawcza (DFG) uznała te badania za „szczególnie innowacyjne” i zatwierdziła projekt „Reinhart-Koselleck”. Dzięki temu finansowaniu, wybitni naukowcy mogą poświęcić się ryzykownym przedsięwzięciom. Projekt Reinhart-Koselleck jest finansowany przez DFG przez pięć lat z łącznym budżetem 750 000 euro, kierowany przez prof. dr. Johna Banharta.

W przypadku 3D tomografii rentgenowskiej wykonywane są trójwymiarowe tomogramy w ułamkach sekundy, które następnie przetwarzane są na trójwymiarowy film. Do tej pory John Banhart i jego zespół mają już doświadczenie w zastosowaniu tej metody do badania przestrzeni metalowych. Materiał ten jest wykorzystywany na przykład do elementów tłumiących w inżynierii maszynowej i lekkiej. Pojawiły się też pierwsze próby umieszczania silników w pojazdach elektrycznych w metalowej piance, aby chronić je przed wniknięciem obcych przedmiotów, które mogłyby spowodować zwarcie i wybuch.

Jak prawie każda pianka, również pianka metalowa ma tendencję do nietrwałości. Piękna piana piwa znika szybciej, niż się tego spodziewamy, a w wannie można dosłownie patrzeć, jak pękają bąbelki piany. Dlatego w potocznej mowie mówi się, że marzenia są piankami. Ta nietrwałość piany sprawia również trudności naukowcom od materiałów, takim jak prof. dr. John Banhart. „Pianki metalowe są produkowane z proszku metalowego i środka spulchniającego. Środek spulchniający to również proszek z metalu i wodoru. Oba składniki są mieszane, zagęszczane i podgrzewane, podczas czego uwalnia się wodór, co powoduje spienianie się mieszaniny. Podczas procesu krzepnięcia pękają pęcherzyki i łączą się w większe. To niepożądany proces, ponieważ pogarsza właściwości mechaniczne materiału”, wyjaśnia John Banhart. Dzięki pomocy tomografii 3D udało się jego grupie opisać, dlaczego pękają pęcherzyki: przyczyną są lokalne wzrosty ciśnienia wokół cząstek środka spulchniającego. „Dlatego badamy, aby znaleźć nowe środki spulchniające, które będą się równomierniej rozprowadzać w metalu i łagodniej tworzyć piankę”, dodaje Banhart.

Inną zastosowaniem tomografii jest proces, w którym za pomocą wiązki laserowej metal jest topiony w bardzo krótkim czasie. Może to być spawanie laserowe, cięcie laserowe, ale także technologia addytywna, znana jako druk 3D, gdzie materiał jest nakładany warstwa po warstwie, tworząc element. John Banhart i jego zespół chcą wykorzystać tomografię rentgenowską do zbadania, co dzieje się w krótkim czasie topnienia i ponownego krzepnięcia.

Drugim głównym celem jest matematyczne przetwarzanie ogromnych ilości danych, które będą powstawać – kilka terabajtów na minutę – tak, aby przyczyniły się do zdobycia nowych informacji. „Stajemy przed ogromnym wyzwaniem”, mówi John Banhart. Trzecim głównym obszarem badań jest rozwój funkcjonalnych i przenośnych urządzeń eksperymentalnych, które umożliwią wykonywanie zdjęć w synchrotronie Instytutu Paula Scherera w Szwajcarii. John Banhart: „Potrzebujemy intensywnego promieniowania rentgenowskiego, a to zapewniają nam tylko synchrotrony.”