Lenka Ďaková skúma konštrukčné materiály s vysokou entropiou.
Vedkyňa sa snaží skombinovať päť kovových prvkov rôznej skupiny. Zdroj fotografie: Osobný archív Lenky Ďakovej
- čo je vysokoentropická keramika,
- ktoré výnimočné vlastnosti má vysokoentropická keramika,
- ako sa líši vysokoentropická keramika od tej, z ktorej sú vyrobené klasické riady,
- v ktorých výrobných oblastiach by sme ju mohli vymeniť za kov,
- prečo by sa nemohla využívať vo všetkých odvetviach.
Lenka Ďaková z Ústavu materiálového výskumu Slovenskej akadémie vied v Košiciach sa stala TOP Študentskou osobnosťou Slovenska za akademický rok 2023/2024. Skúma konštrukčné materiály s vysokou entropiou, teda mierou neusporiadanosti nejakého systému. Snaží sa skombinovať päť kovových prvkov rôznej skupiny, ktoré po zjednotení, zhutnení materiálu dodávajú iné, jedinečné vlastnosti. Potom sa tieto vlastnosti snaží vylepšiť.
Vysokoentropické materiály by sa podľa nej mohli začať využívať v strojárskom priemysle, a to najmä ako náhrada konštrukčných mechanizmov alebo súčiastok, pri ktorých sa kladie dôraz na nízke opotrebenie. Ide napríklad o lopatky plynových turbín, povlaky vystavené vysokým teplotám či materiály pre vykurovacie telesá.
Ako vnímate, že ste sa stali TOP Študentskou osobnosťou Slovenska?
Je pre mňa veľkou cťou a radosťou, že som sa stala TOP Študentskou osobnosťou. Toto ocenenie vnímam ako uznanie mojej práce a môjho úsilia, ktoré som vložila do svojho štúdia a vedeckého rozvoja. Zároveň ma motivuje aj do ďalšej práce. Chcem sa poďakovať všetkým, ktorí ma na tejto ceste podporovali. Verím, že toto ocenenie bude inšpiráciou i pre ďalších študentov, aby sa nebáli ísť za svojimi snami a cieľmi.
Nezaťažuje životné prostredie
Čo vás viedlo k výskumu konštrukčných materiálov s vysokou entropiou?
Konštrukčné keramické materiály s vysokou entropiou ma vždy fascinovali. Vždy som bola zvedavá, snažila som sa nájsť nové možnosti zlepšenia tradičných materiálov, aby sa mohli využiť v budúcnosti. Rovnako som chcela svojím výskumom prispieť k rozvoju vedy a techniky. Verím, že táto nová oblasť výskumu má veľký potenciál, a teším sa na ďalšie objavy a úspechy, ktoré prinesie.
Čím sa vyznačuje keramika s vysokou entropiou?
Keramika s vysokou entropiou obsahuje zvyčajne štyri alebo viac kovových prvkov, vďaka čomu je tvrdšia a pevnejšia.
Ako sa líši keramika, ktorej sa venujete, od tej, z ktorej sú vyrobené klasické riady a ktorú používame bežne v domácnosti?
Klasická keramika je zvyčajne vyrobená z menšieho počtu komponentov, akými sú kaolín, íl a živec. Na druhej strane obsahuje vysokoentropická keramika päť alebo viac prvkov v približne rovnakom pomere. Táto vysoká diverzita prvkov vedie k unikátnym vlastnostiam materiálu. Na rozdiel od toho má tradičná keramika úplne rozličnú mikroštruktúru, veľkosť či iné usporiadanie zŕn.
Lenka Ďaková skúma vysokoentropickú keramiku. Zdroj fotografie: osobný archív vedkyne
Kde všade v praxi využívame keramické komponenty, s ktorými pracujete v laboratóriu?
V minulosti sa keramika v strojárstve používala len na súčiastky, ktoré neboli vystavené mechanickému alebo tepelnému namáhaniu. Dnes sa však konštrukčná keramika výrazne rozširuje a nachádza uplatnenie aj v náročných podmienkach, ako sú vysoko namáhané súčasti v korozívnom prostredí. Odlišuje sa od funkčnej keramiky, ktorá je určená na špecifické aplikácie v elektrotechnike, elektronike či optike.
Je keramika vhodná aj pre životné prostredie? Nezaťažuje ho?
Keramika ako taká výrazne nezaťažuje životné prostredie. Je vyrobená z prírodných materiálov a je chemicky stabilná. V prípade vysokoentropickej keramiky je situácia trochu zložitejšia, pretože niektoré prvky použité pri výrobe môžu byť vzácne. Je preto dôležité venovať pozornosť výberu materiálov a technológií, aby sa úplne minimalizoval negatívny vplyv na životné prostredie.
Keramika ako taká výrazne nezaťažuje životné prostredie. Je vyrobená z prírodných materiálov a je chemicky stabilná.
Na základe čoho ste vo svojom výskume vybrali tieto jednotlivé kovové prvky?
Ide o kľúčový krok vo výskume. Zamerala som sa na niekoľko dôležitých faktorov. Všímala som si najmä vlastnosti daných prvkov, a to veľkosť atómov, tepelnú stabilitu či fyzikálne vlastnosti. Zároveň som sa snažila nájsť optimálny počet týchto prvkov a správne ich nakombinovať.
Ako sa tieto prvky správali, keď ste ich zhutnili?
Záviselo to od viacerých faktorov, ako sú zloženie zmesi, veľkosť častíc, teplota, tlak a čas spekania. Všeobecne však platí, že pri spekaní dochádza k deformácii častíc, difúzii, vytvoreniu jednofázového tuhého roztoku a zmene mikroštruktúry.
Pozrite si
Kombinujete päť kovových prvkov rôznej skupiny, ktoré vám po zjednotení, zlisovaní materiálu dodávajú iné, jedinečné vlastnosti, ktoré tradičná keramika nemá. Ako ovplyvnilo zmiešanie týchto piatich kovových prvkov výslednú štruktúru daného materiálu?
Je pravda, že kombinácia piatich prechodových kovových prvkov môže viesť k unikátnym vlastnostiam, ktoré tradičná keramika nemá. Silné kovalentné väzby medzi nimi vedú k zlúčeninám s vysokou tvrdosťou, pevnosťou a teplotou topenia. Po zmiešaní prvkov vznikne jednofázový tuhý roztok, avšak nie vždy to tak musí byť. Zmiešanie jednotlivých prvkov do výslednej štruktúry materiálu je veľmi komplexné a nie vždy predvídateľné. Dôležité je preto vykonať dôkladný výskum a dôkladné experimentovanie, aby sa získali materiály s požadovanými vlastnosťami.
Vysokoentropická keramika je tvrdšia, pevnejšia a odolnejšia ako klasická keramika. Za pomoci vysokej teploty ste ju urobili kompaktnou. V čom bolo ťažšie spracovať vysokoentropickú keramiku?
Hoci vysokoentropická keramika sľubuje lepšie vlastnosti, v porovnaní s klasickou keramikou prináša aj špecifické výzvy pri spracovaní. Tieto výzvy vyplývajú z jej zloženia a vlastností, ako je napríklad homogenita zmesí, ktorá je ovplyvnená viacerými faktormi. Vysoká entropia je dosiahnutá pridaním mnohých prvkov, často piatich a viacerých. Zabezpečiť ich rovnomerné rozloženie v zmesi je náročné. Prvky sa môžu líšiť veľkosťou atómov, teplotou topenia a ďalšími vlastnosťami, čo sťažuje ich vzájomné premiešanie a vytvorenie homogénnej štruktúry.
Spekanie vysokoentropickej keramiky často vyžaduje špeciálne techniky, napríklad použitú metódu Spark plasma sintering, pri ktorej je dôležité presne nastaviť parametre procesu, čo môže zvyšovať energetickú náročnosť procesu a klásť vyššie nároky na zariadenie.
Lenka Ďaková z Ústavu materiálového výskumu Slovenskej akadémie vied v Košiciach sa stala TOP Študentskou osobnosťou minulého roka. Zdroj fotografie: osobný archív Lenky Ďakovej
Ako vyzerá táto metóda v praxi?
Spekanie sa začína prípravou prášku, kde zmiešame a následne zmelieme východiskové prášky jednotlivých prvkov v presne určenom pomere, aby sme dosiahli homogénnu zmes s jemnými časticami. Nasleduje spekanie v prítomnosti elektrického prúdu, tlaku a atmosféry, keď sa prášková zmes vloží do grafitovej matrice, v ktorej prebieha proces spekania. Nakoniec výsledný materiál ochladíme a v prípade potreby ho môžeme ďalej opracovávať. Dôležitými faktormi tohto procesu sú teplota a čas spekania, atmosféra, veľkosť a tvar častíc, ktoré významne ovplyvňujú vlastnosti výsledného materiálu.
Keramika namiesto kovov
Ktoré ďalšie výnimočné vlastnosti má vysokoentropická keramika?
Vysokoentropická keramika predstavuje novú triedu keramických materiálov s unikátnymi vlastnosťami, ktoré ju odlišujú od klasickej keramiky. Okrem už spomínanej tvrdosti a pevnosti vykazuje aj ďalšie výnimočné vlastnosti, je odolná proti vysokým teplotám, korózii či opotrebeniu. Vďaka svojim výnimočným vlastnostiam predstavuje sľubnú triedu materiálov s veľkým potenciálom pre budúce aplikácie v rôznych odvetviach. Výskum a vývoj neustále napredujú a očakávam, že v budúcnosti prinesú ešte viac inovatívnych materiálov s unikátnou kombináciou vlastností.
Snažíte sa o to, aby sa mohla keramika viac využívať vo výrobe namiesto kovov. V ktorých výrobných oblastiach by sme mohli keramiku vymeniť za kov?
Ultravysokoteplotné keramické materiály by sme mohli využiť napríklad pri rezných nástrojoch, žiaruvzdorných výmurovkách, rotoroch turbodúchadiel či tepelných štítoch hypersonických vozidiel. Je možné ich používať všade tam, kde sú kladené zvýšené nároky na tvrdosť, odolnosť proti vysokým teplotám a opotrebeniu materiálu, teda v strojárskom, automobilovom či leteckom priemysle.
Existujú už nejaké konkrétne príklady, v ktorých sa využíva vysokoentropická keramika namiesto kovových materiálov?
Vývoj a spracovanie vysokoentropickej keramiky sú stále v počiatočných fázach a výskum v tejto oblasti neustále napreduje. Odhadujem však, že v najbližšej dobe začneme skúšať použitie takejto keramiky namiesto kovov.
Vysokoentropická keramika prežije podmienky, pri ktorých by sa iné materiály zničili. Prečo by sa nemohla využívať vo všetkých odvetviach?
Hoci ponúka mimoriadne vlastnosti, jej cena, dostupnosť, technologické obmedzenia a špecifické požiadavky obmedzujú jej využitie vo všetkých odvetviach. V súčasnosti je najvhodnejšia pre špecializované aplikácie, kde sú jej vlastnosti nenahraditeľné a cena nie je hlavným faktorom. S ďalším vývojom technológií a znížením nákladov je však možné, že sa využitie vysokoentropickej keramiky v budúcnosti rozšíri aj do ďalších odvetví.
Lenka sa chce v budúcnosti zamerať na štúdium mikroštruktúry a fázového zloženia materiálov a ich vplyvu na mechanické a tepelné vlastnosti. Zdroj fotografie: osobný archív Lenky Ďakovej
Nové technológie výroby
Kedy by sme ju mohli začať využívať napríklad v automobilovom či strojárskom priemysle?
Vysokoentropická keramika je sľubným materiálom pre budúcnosť, jej široké zavedenie do automobilového a strojárskeho priemyslu si vyžaduje ešte nejaký čas. Vedci neustále vyvíjajú nové zloženia a metódy výroby. Prístup kombinácie minimálne piatich prechodových kovov s uhlíkom, bórom alebo dusíkom ponúka stovky materiálov, ktoré je možné experimentálne pripraviť, preto sa musíme zamerať aj na teoretické výpočty, modely a simulácie. Z toho dôvodu musia medzi sebou spolupracovať výskumníci nielen na Slovensku, ale aj v celosvetovom meradle. Keramika musí prejsť dôkladným testovaním a dôkladnou validáciou, aby sa preukázala jej spoľahlivosť a bezpečnosť použitia v automobilovom a strojárskom priemysle. To si vyžaduje čas a zdroje na vykonanie rozsiahlych testov v rôznych podmienkach.
Medzi sebou musia spolupracovať výskumníci nielen na Slovensku, ale aj v celosvetovom meradle.
Aký ďalší prínos majú vaše zistenia o štruktúre keramických materiálov?
Výskum štruktúry keramických materiálov prispieva k lepšiemu pochopeniu základných princípov materiálových vied. Vďaka nemu rozumieme, ako sa správajú pri deformácii, lome či difúzii. Tieto znalosti nám pomáhajú vylepšiť existujúce materiály a vyvinúť ešte efektívnejšie a trvanlivejšie na rôzne využitia od rezných nástrojov po ložiská. A čo je najlepšie, výskum môže priniesť aj nové technológie výroby, vďaka ktorým budú keramické materiály kvalitnejšie a cenovo dostupnejšie.
Máte predstavu, ktoré konkrétne spomínané technológie by mohol výskum ešte priniesť?
Výskum vysokoentropickej keramiky by mohol priniesť viacero prelomových technológií, ktoré by výrazne rozšírili jej využitie, napríklad aj revolúciu v oblasti materiálového inžinierstva. Takáto keramika by sa mohla využívať v rozličných odvetviach od automobilového a strojárskeho priemyslu až po medicínu a energetiku. Je dôležité mať na pamäti, že vývoj týchto technológií je dlhodobým procesom, ktorý si vyžaduje systematický výskum a spoluprácu medzi vedcami v laboratóriách po celom svete.
Aké máte plány s výskumom do budúcna?
V budúcnosti sa chcem zamerať na detailné štúdium mikroštruktúry a fázového zloženia materiálov a ich vplyvu na mechanické a tepelné vlastnosti. Rovnako sa pokúsim charakterizovať multikomponentné vysokoentropické keramické materiály s prídavkom sekundárnej fázy, ktoré môžu ďalej zlepšovať odolnosť proti oxidácii novovyvíjaných materiálov.
(RR)
