Изследователски екип от Националния университет в Йокохама е разработил нов подход за изследване на това как ориентацията и поведението на електроните в титана влияят на физическите му свойства. Техните открития, публикувани в Communications Physics на 18 декември 2024 г., предлагат ценни идеи, които могат да доведат до създаването на по-съвършени и ефективни титанови сплави.

Титанът е високо ценен заради изключителната си устойчивост на химическа корозия, лекия си характер и впечатляващото съотношение между здравина и тегло. Биосъвместимостта му го прави идеален материал за медицински приложения като импланти, протези и изкуствени кости, а здравината и издръжливостта му го правят незаменим в космическото инженерство и прецизното производство.

За да получат представа как атомите и електроните на титана генерират тези свойства, изследователите използват процес, наречен генериране на високи хармоници.

„Когато облъчваме твърд материал с интензивни инфрачервени лазерни импулси, електроните в този материал излъчват светлинни сигнали с честоти, по-високи от тези на оригиналния лазерен лъч“, обяснява първият автор на изследването проф. Икуфуми Катаяма от Инженерния факултет на Националния университет в Йокохама. „Тези сигнали ни помагат да проучим как се държат електроните и как са свързани атомите.“

Генерирането на високи хармоници е трудно при титан и други метали, тъй като свободните електрони, които ги правят отлични електрически проводници, също така взаимодействат силно с лазерното поле и го екранират в материала. Това отслабва светлинните сигнали, намалява тяхната яснота и затруднява събирането на данни.

„Внимателно настроихме настройките на лазера, за да намалим ефекта на екраниране, което ни позволи ясно да наблюдаваме как се държи електронната структура на титана“, казва Катаяма.

Изследователите използват компютърни симулации, за да проучат светлинните сигнали, излъчвани в отговор на лазера. Те установили, че повечето от тях идват от електрони, които се движат в определени зони, наречени енергийни ленти. Тези ленти приличат на писти, по които електроните могат да се движат свободно. Посоката на лазера и начинът, по който са подредени атомите на титана, са повлияли на начина, по който тези електрони се движат и свързват.

Титанът има специална едноосна структура, която може да се променя при легиране, и неговите свойства, като здравина и гъвкавост, зависят от посоката, в която се прилага сила. С други думи, титанът се държи различно в зависимост от посоката, в която го натискате или дърпате. Оказва се, че това е така, защото начинът, по който са подредени титановите атоми, означава, че електроните не се движат по един и същи начин във всички посоки. Когато лазер удари титана, начинът, по който електроните поглъщат енергия, се променя, което се отразява на начина, по който те се свързват в различни посоки.

Изследователите откриват също така, че се излъчват по-малко сигнали, когато електроните се движат между различни енергийни диапазони, което показва, че поведението на електроните се влияе от начина, по който атомите се подреждат. Тази разлика определя дали връзките са силни или слаби и по този начин колко гъвкав или здрав е титанът.

„Като картографираме как тези връзки се променят в зависимост от посоката, можем да разберем защо титанът има такива уникални механични свойства“, казва водещият автор на изследването д-р Тецуя Мацунага от Японската агенция за аерокосмически изследвания. „Това ни помага да разберем как да проектираме по-здрави титанови сплави, които работят по-добре при различни условия, което може да помогне за създаването на по-здрави и по-ефективни материали за индустрии като авиацията, медицината и производството.“

Снимка: Unsplash

Виж още: Това е стратегията на американската армия за борба със зомбита в случай на апокалипсис