A Magyar Tudományos Akadémia folyóirata. Alapítva: 1840
 

KEZDŐLAP    ARCHÍVUM    IMPRESSZUM    KERESÉS


 ANYAGTUDOMÁNY A VILÁGŰRBEN:

    KUTATÁSOK AZ MTA WIGNER FIZIKAI KUTATÓKÖZPONTBAN

X

Gránásy László

az MTA doktora, MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont • granasy.laszlo(kukac)wigner.mta.hu

Pusztai Tamás

az MTA doktora, MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont

Podmaniczky Frigyes

PhD-hallgató, MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont

Korbuly Bálint

PhD-hallgató, MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont

 

Bevezető


A technikai civilizációnk gerincét a speciális, célorientált tulajdonságokkal rendelkező anyagok jelentik. Gondoljunk arra, hogy 1945-ben a repülőgép-gázturbinák élettartama csak néhányszor tíz óra volt, ma pedig több ezer óra, amit a közben kifejlesztett hőálló ötvözetek alkalmazása tesz lehetővé. Az új anyagok kifejlesztése és ipari bevezetése hagyományosan hosszadalmas folyamat, akár egy évtized is eltelik, mire felfedezése-kifejlesztése után megjelenik a piacon egy új anyag. Ennek oka, hogy az ipari hasznosulásig számos lépés megtétele szükséges: ez egy komplex folyamat, ami magában foglalja az alapkutatási, anyagtervezési, optimalizálási háttér meglétét, a kísérleti ellenőrzést, a gyártástechnológia kidolgozását, a meghibásodási teszteket, és a gazdaságossági számítások hosszú és költséges sorozatát. Az ehhez szükséges infrastruktúra kiépítésére, fenntartására és működtetésére a legnagyobb ipari cégek is csak korlátozottan képesek, így az már kormányzati feladat. Ennek felismerése arra ösztönözte az amerikai kormányzatot, hogy stratégiát dolgozzon ki az új anyagok felfedezésének és alkalmazásba vételének felgyorsítására, melynek főbb elemeit az amerikai kongresszus által 2011-ben jóváhagyott Materials Genom Initiative  program foglalja össze (URL1). Ennek keretében felvázolják, hogy milyen módon hozható létre az az infrastruktúra, mely biztosítja, hogy a megfelelő kísérleti eszközök, adatbázisok, prediktív modellek, és kiképzett kutatószemélyzet hosszú távon rendelkezésre álljon a különleges tulajdonságokkal rendelkező anyagok kifejlesztésére és azok ipari hasznosításának megkönnyítésére. Ezen program célja, hogy biztosítsa/növelje az Egyesült Államok versenyelőnyét a világ többi gazdaságával szemben. A program megfogalmazásából világosan látszik az a felismerés, hogy az alapkutatás, amely gondoskodik az új lehetőségek felismeréséről és a tudományos anyagtervezés eszközeinek létrehozásáról (prediktív matematikai modellek és numerikus implementációik, adatbázisok), alapvető szerepet játszik ebben a struktúrában. Az Európai Unió erre adott válaszát a közelmúltban induló Metallurgy Europe EUREKA program fogalmazza meg (URL2), amely azonosította azokat a területeket, melyeknél hasonló szervezett tevékenységre van szükség, és lépéseket tesz arra, hogy európai skálán koordinálja azokat.

A tudományos anyagtervezés szükségképpen széles méret- és időskálákat ölel fel, melyek az atomi méretektől (10−10 m) az ipari méretekig (1 – 100 m), illetve a 10−15 másodperctől az órás vagy akár hónapos, éves időtartamokig terjednek. Ennek megfelelően, az anyag tulajdonságainak leírására szolgáló modellek hasonlóan széles skálája szükséges, ami a fázisdiagramok kvantummechanikai számolásától a hibaszerkezet mérnöki skálán történő leírásáig terjed. A számítástechnika rohamos fejlődésével a fenti láncolat egyre több eleme válik kezelhetővé, mindennapi szinten elérhetővé; ebben a szuperszámítógépek, illetve a lokális CPU- (Central Processing Unit) és GPU- (Graphics Processing Unit) klaszterek elterjedése döntő szerepet játszik. Ugyanakkor sok esetben még alapkutatásra, például a megfelelő matematikai leírás kidolgozására is szükség van, mint például a polikristályos anyagok mikroszerkezeti leírása esetén. Mint ismeretes, a technikai ötvözeteink jelentős része polikristályos, azaz nagyszámú kristályszemcséből épül fel, melyek szerkezet-, összetétel-, méret- és alakeloszlása, együttesen „mikroszerkezete” határozza meg az adott anyag tulajdonságait. A mikroszerkezet a megszilárdulás és az azt követő hőkezelések során jön létre, melynél a folyamat leírására alkalmas matematikai modellek kidolgozása jelenleg is kutatás tárgyát képezi. Az ilyen típusú matematikai modellek kifejlesztése kiemelt szerepet játszik a Materials Genome és Metallurgy Europe programokban. A matematikai modellek kísérleti ellenőrzése, validációja ugyancsak alapvető fontosságú, melynél a kísérleti módszerek széles körére támaszkodhatunk, melyek között számos olyan van, amelyet csak nemzeti szinten vagy nemzetközi összefogásban lehet fenntartani, működtetni. Ezek közé tartoznak a részecskegyorsítók, szinkrotronok, nukleáris kutatóreaktorok, röntgenlézerek, de a tartós súlytalanságban (űrben) végzett mikrogravitációs kísérletek is.

 

Anyagtudomány az űrben


A mikrogravitációban végzett kísérletek unikális lehetőséget nyújtanak olyan anyagtudományi problémák megoldásában, amelyek máshogy nehezen vagy egyáltalán nem tisztázhatók. A mikrogravitációs környezet előnyei: (i) nem szükséges konténer; (ii) a fajsúlykülönbségen alapuló konvektív áramlások nagyságrendekkel kisebbek; (iii) tiszta környezet. Az anyagok konténermentes (lebegtetéses) olvasztása/megszilárdítása a technológiai gyakorlatban megszokottnál jóval nagyobb túlhűtés (olvadásponttól való távolság) megvalósítását teszi lehetővé, ami az egyensúlyi fázisdiagramban nem jelenlevő ún. metastabil fázisok relatív mennyiségének kontrollálására használható, lehetővé téve például a metastabil fázisokból felépülő ún. in situ nanokompozitok tulajdonságainak optimalizálását. A mikrogravitációs környezet másik alapvető jellemzője, hogy a fajsúlykülönbség miatti áramlások nagyságrenddel kisebbek, ami a megszilárdulás során fellépő fizikai folyamatok kísérleti szétválasztását teszi lehetővé, s így a kísérletek értelmezése lényegesen egyszerűbb. Ezek az előnyök motiválják az ESA kiterjedt anyagkutatási aktivitását a Microgravity Application Promotion Program (MAP) keretében, illetve az ESA által koordinált és az EU-val társfinanszírozott EU FP7-projektekben, melyek a repülőgépipar, űripar, autóipar, energetikai- és műszeripar részére fejlesztenek új, a korábbiaknál jobb anyagokat,

 

 

amelyek versenyképesebbé tehetik az európai ipart az amerikai, japán és kínai versenytársakkal szemben. Bár az űrkísérletek meglehetősen drágák, sok esetben indokolt az alkalmazásuk a várható haszon fényében. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontjában (Wigner FK) működő Számítógépes Anyagtudományi Csoport több mint egy évtizede vesz részt ilyen jellegű kutatásokban, melyeknél a mikroszerkezet kialakulásának matematikai modellezésével (1. kép) támogatták/támogatják az űrkísérletek értelmezését. Így többek közt hozzájárultak a magasabb üzemi hőmérsékleten működő gázturbinalapátok létrehozásához, valamint a javított tulajdonságú lágy- és keménymágneses anyagok, az ólommentes önkenő csapágyanyagok, az in situ nanokompozitok, és a speciális optikai tulajdonsággal rendelkező szubmikronos mintázatú, ún. eutektikus metaanyagok kifejlesztéséhez. A polikristályos megszilárdulás leírására létrehozott térelméleti modellek nemzetközi szintű elismertséget hoztak a kutatócsoportnak, ami a rangos folyóiratokban megjelent magasan hivatkozott cikkekben (Gránásy et al., 2003, 2004a, 2004b, 2005, 2014, Emmerich et al., 2012), az eredmények folyóiratcímlapokon való megjelenésében (kilenc címlap), és a nagyszámú meghívott előadásban (~70) tükröződik. A Wigner FK kutatói ezen tevékenységüket Magyarország Európai Űrügynökséghez való csatlakozása után nemzetközi együttműködésben tervezik folytatni a jelenlegi, illetve jövőbeli MAP-konzorciumok tagjaiként, ami kívánatossá teszi Magyarország részvételét az ELIPS (European Programme for Life and Physical Sciences in Space) emberes űrkutatási programban.

Míg az említett űr-anyagtudományi kutatások elsősorban európai kooperációban hasznosultak/hasznosulnak, a közelmúlttól kezdődően erőfeszítések történnek a felgyűlt tapasztalatok hazai hasznosítására is. 2014-ben a Wigner FK Számítógépes Anyagtudományi Csoportja és az Aluinvent Zrt. informális együttműködést kezdett az alumíniumalapú habok vizsgálatára és fejlesztésére. Ezek a fémhabok forradalmi újdonságot jelentenek az alkalmazások szempontjából. Tipikus sűrűségük kevesebb, mint harmada a tömbi alumíniuménak (úsznak a vízen). Ennek ellenére keresztmetszeti teherbírásuk alig harmadával kisebb a tömbi anyagénál. Széles körű elterjedésük áttörést jelenthetne az anyag- és energiatakarékosság területén, de határozott érdeklődés mutatkozik a hadiipar, a repülőipar, autóipar, építőipar stb. részéről is. A formális együttműködés kereteinek kiépítése folyamatban van: a fémhabok-témakör részét képezi a Metallurgy Europe EUREKA Programnak, ahol a fémhabokkal kapcsolatos aktivitást az Aluinvent Zrt. alelnöke (Dr. Babcsán Norbert) koordinálja, míg a folyamatmodellező erőfeszítések egyik koordinátora a Wigner FK Számítógépes Anyagtudományi Csoportjának vezetője (Prof. Gránásy László).

A várakozások szerint az űrkísérletek kritikus fontosságú információt szolgáltathatnak a habképződés folyamatának megértéséhez: A fémhabok a megszilárdulás és a hab falaiban történő komplex áramlási jelenségek közti versengés során jönnek létre, mely versenyfutás eredménye határozza meg a megszilárdult fémhab tulajdonságait. A mikrogravitációs kísérletekben szétcsatolhatók lennének a felületi feszültségből származó kapilláris hatások a gravitációs effektusoktól, elősegítve így a folyamatok jobb megértését, és a tudományos anyagtervezés megalapozását ezen a területen. Ez a kutatás versenyelőnyhöz juttathatná a magyar alumíniumipar ezen új, dinamikusan fejlődő, innovatív ágát. Így kívánatos, hogy a fémhabok vizsgálata mikrogravitációs környezetben téma az Európai Űrügynökséghez való csatlakozás során formálódó magyar űrkutatási program szerves része legyen.
 



Kulcsszavak: űrkutatás, Európai Űrügynökség, űrbeli anyagtudomány, számítógépes anyagtudomány, mikrogravitáció, új anyagok, nanokompozitok, metaanyagok, ólommentes csapágyanyagok, fémhabok
 


 

IRODALOM

Emmerich, Heike – Löwen, H. – Wittkowski, R. et al. (2012): Phase-field-crystal Models for Condensed Matter Dynamics on Atomic Length and Diffusive Time Scales: An Overview. Advances in Physics. 61, 665-743. DOI: 10.1080/00018732.2012.737555 • WEBCÍM

Gránásy László – Pusztai T. – Warren, J. A. – Douglas, J. F. et al. (2003): Growth of ‘Dizzy Dendrites’ in a Random Field of Foreign Particles. Nature Materials. 2, 92-96. DOI: 10.1038/nmat815

Gránásy László – Pusztai T. – Warren, J. A. (2004a): Modelling Polycrystalline Solidification Using Phase Field Theory. Journal of Physics: Condensed Matter. 16, R1205−1235. DOI: 10.1088/0953-8984/16/41/R01

Gránásy László – Pusztai T. – Börzsönyi T. et al. (2004b): A General Mechanism of Polycrystalline Growth. Nature Materials. 3, 645-650. DOI: 10.1038/nmat1190

Gránásy László – Pusztai T. – Tegze G. et al. (2005): Ont he Growth and Form of Spherulites. Physical Review E 72, 011605. DOI: 10.1103/PhysRevE.72. 011605 • WEBCÍM

Gránásy László – Podmaniczky F. – Tóth Gy. I. et al. (2014): Heterogeneous Nucleation of/on Nanoparticles: A Density Functional Study Using the Phase-field Crystal Model. Chemical Society Review. 43, 2159−2173. DOI: 10.1039/c3cs60225g

Gránásy László – Tóth Gyula I. (2014): Crystallization: Colloidal Suspense. Nature Physics. 10, 12−13. DOI:10.1038/nphys2849

URL1: Materials Genome Initiative for Global Competitiveness. National Science and Technology Council, USA, 2011. Az Obama-adminisztráció évi mintegy 100 millió USD összeget allokált a programra.

URL2: Európai Tudományos Alapítvány Anyagtudományi és Mérnöki Expert 3 Munkacsoport (ESF-MatSEEC) Metallurgy Europe – A Reneissance Program for 2012–2022 című tanulmánya • WEBÍCM An ESF-MatSEEC Science Position Paper (05.07.2012). A kiadvány 7. ábráján látható szimuláció a Wigner FK Számítógépes Anyagtudományi Csoportjából származik. A hozzá tartozó animáció az ESA honlapján tekinthető meg  WEBCÍM

 


 

 

1. kép • A megszilárdulás során kialakuló mikroszerkezet időfejlődése alumínium-titán ötvözetben

a Wigner FK Számítógépes Anyagtudományi Csoport kvantitatív fázismező elméleti szimulációja szerint.

A pillanatfelvételek a korai (balra), illetve kései (jobbra) állapotokat mutatják. Az előbbi esetben az oszlopos (ún. dendrites) növekedés dominál, míg az utóbbiban a szennyező részecskék által indukált kristálycsíra-képződés a meghatározó folyamat. A szimulációból készült animáció megnézhető az Európai Űrügynökség honlapján (URL2). <