Плачь, взрывайся, дыши. Парадоксальная керамика.

Любой, кто хоть раз ронял кофейную чашку и видел, как она разбивается, знает, что керамика довольно хрупка – при малейшей деформации она разрушается. И это касается не только посуды, но и других изделий из этого материала. А их, если подумать, каждый может вспомнить немало: это и отделочная плитка, и кирпич, и элементы трубчатых и не только электронагревателей, электро-изоляторы и так далее. Но кроме таких банальностей, керамика широко используется в электронике, поскольку она – в зависимости от своего состава – способна демонстрировать разнообразную проводимость и служить, таким образом, либо полу-, либо сверхпроводником; либо сегнетоэлектриком (материалом с так называемой спонтанной поляризацией), либо тем же изолятором. 

Однако помимо этих супер-способностей, она также химически инертна – то есть неподвластна сама и не вызывает у соседних с ней материалов разрушающей их коррозии. Благодаря этому свойству она стала основой для целого спектра изделий: свечи зажигания, волоконная оптика, медицинские устройства, химические датчики, лыжи и даже жаропрочные огнеупорные плитки облицовки космических челноков, позволяющих им не сгореть в атмосфере при возвращении на землю.

Да, керамика – это невероятно удачный материал, но если расположить его на оном конце спектра, то на другом наверняка окажутся не менее достойные изобретения. Ну, к примеру, сплавы с памятью формы. Это своего рода чемпионы среди подобных им материалов. Мы можем полагаться на огромную деформируемость сплавов с памятью формы при использовании изготовленных из них медицинских стентов, скажем, при операбельном реставрационном вмешательстве в сосуды кровеносной системы. Эти изделия составляют основу медицинского оборудования, работающего в динамически нестабильных условиях.

Причиной такого изменения формы является фазовое превращение, называемое solid-to-solid (от твёрдого к твёрдому). В отличие от давно привычной модели процесса кристаллизации-плавления-перекристаллизации, кристаллические переходы s-t-s имеют место исключительно в твёрдом состоянии, минуя стадию плавления. Изменяя температуру или давление мы можем преобразовать одно кристаллическое твёрдое вещество в другое кристаллическое твёрдое вещество, не переходя при этом в жидкую фазу.

И вот теперь международная группа исследователей из Миннеаполиса и Сент-Поля – городов-побратимов Университета Миннесоты – и Кильского университета в Германии нащупала метод, который может вылиться в создание керамических материалов с изменяемой формой. То есть, они решили объединить исключительные достоинства двух описанных крайностей. И это один из тех случаев, когда открытие в рамках решения частной задачи может повлечь трансформации во всех сферах – от медицинских устройств до бытовой и промышленной электроники.

Однако путь к производству керамики с обратимой памятью формы был далеко не так прост, как хотелось бы. Сначала исследователи решили опробовать рецепт, который однажды уже помог открыть новые металлические материалы с памятью формы. Этот метод зиждется на тонкой настройке расстояний между атомами, достигаемой путём изменения состава таким образом, чтобы две фазы хорошо сочетались между собой. В отношении керамики такой подход не мог дать не только прогнозируемых результатов, но и вообще каких-либо гарантий даже на малейший успех, однако реализовать его всё-таки удалось. Но… вместо ожидаемых улучшений деформируемости керамики, было обнаружено, что по прошествии фазового превращения некоторые образцы попросту взорвались. Остальные же постепенно рассыпались, став кучкой порошка. Это второе явление учёные назвали «плачем».

Как говорится, и грустно, и смешно. Но – если долго мучиться, что-нибудь получится! И однажды, уже с другим составом, исследователи добились искомого результата: им удалось стать свидетелями обратимого преобразования в керамическом составе, легко переходящего между фазами подобно материалу с памятью формы. Математические условия, при которых происходит такое обратимое превращение, могут применяться достаточно широко для открытия путей изготовления и применения парадоксальной керамики с памятью формы.

«Мы были весьма удивлены нашими результатами. Керамика с памятью формы будет совершенно новым видом функционального материала, – признаётся Ричард Джеймс, соавтор исследования и заслуженный профессор Университета Макнайта факультета механики аэрокосмической инженерии Университета Миннесоты. – Существует большая потребность в приводах с памятью формы, которые могут работать при высоких температурах или в агрессивных средах. Но больше всего нас волнует перспектива новой сегнетоэлектрической керамики. В этих материалах фазовое превращение можно использовать для выработки электричества за счёт незначительных перепадов температур».

«Для объяснения нашего экспериментального открытия, что, вопреки ожиданиям, керамика крайне несовместима и взрывается или распадается, сотрудничество с группой Ричарда Джеймса из Университета Миннесоты было очень ценным», – говорит профессор Института материаловедения Кильского университета Экхард Квандт, соавтор исследования, чья команда отвечала за экспериментальную часть, химические и структурные исследования в наномасштабе. – Теория, разработанная на этой основе, не только описывает поведение, но и показывает способ получения желаемой совместимой керамики с памятью формы».

Памятуя удивление тем, что задуманное всё-таки удалось осуществить, ведь «память формы» для керамики является свойством действительно парадоксальным, Джеймс также подчеркнул важность сотрудничества между командами и добавляет:

«Как и во всех подобных случаях, здесь достаточно много совпадений, и мы хорошо общаемся, но каждая группа приносит множество идей и методов, которые расширяют нашу коллективную способность открывать».

Исследование опубликовано в междисциплинарном научном журнале Nature.

АРМК, по материалам Университета Миннесоты.