Buigend metaal; Bindingen tussen atomen breken en worden opnieuw gevormd

Wie wil weten wat precies gebeurt als een stalen plaat wordt gewalst, moet zich verdiepen in de fouten in het kristal, de dislocaties.

NIEMAND ZAL ZICH ooit het hoofd hebben gebroken over de vraag waarom we een paperclip kunnen buigen. Dat lijkt volkomen logisch. Toch vormt dit soort plastische deformaties zelfs voor natuurkundigen nog altijd een moeilijk te begrijpen verschijnsel. In de eerste plaats doordat de vervorming permanent is. Een elastiekje dat wordt uitgerekt keert zodra het wordt losgelaten immers terug naar zijn uitgangstoestand. In dat geval is er sprake van een elastische deformatie. Wanneer een metalen voorwerp echter wordt verbogen, zal dat in het algemeen niet gebeuren. Daarnaast blijft een verbogen paperclip aan de buitenkant glad: het heeft er dus alle schijn van dat het vaste metaal tijdens het buigen even heeft gevloeid.

Hoewel er met behulp van bepaalde rekentechniek en de zogenoemde eindige elementmethoden een heel goed beeld kan worden verkregen over hoe bijvoorbeeld een auto bij een botsing wordt misvormd, ontbreekt nog altijd het precieze inzicht in wat zich op atomair niveau allemaal afspeelt.

De atomen in een metaal zitten regelmatig gerangschikt in een kristalrooster, waarbij ze stevig met een aantal verschillende buren zijn verbonden. Deze bindingen zijn flexibel en kunnen, als ze op de ene plaats zijn gebroken, op een andere weer gevormd worden. In de jaren dertig werd voor het eerst het vermoeden uitgesproken dat bij dit proces van breken en opnieuw gevormd worden bepaalde fouten in het kristal, de zogeheten dislocaties, een belangrijke rol spelen. De vorming van een kristal verloopt zelden helemaal netjes. Zo worden er soms vele kleine kristallen tegelijk gevormd of treden er binnen één kristal roosterfouten op, doordat een beschikbare plaats niet wordt opgevuld, of juist wordt opgevuld door een groter (vreemd) atoom. Soms ook strekken dislocaties zich uit langs een lijn of over een heel vlak, daar waar zich te veel atomen in een te kleine ruimte persen. Als zo'n imperfect kristal wordt vervormd, verplaatsen die dislocaties zich door het rooster. Wie dus precies wil weten wat zich afspeelt wanneer een stalen plaat wordt gewalst, moet dus de dynamiek van dislocaties proberen te begrijpen. Maar daarvoor moeten de bewegingen van vele miljoenen atomen in de tijd kunnen worden gevolgd.

Door de sterk toegenomen rekenkracht van (parallelle) computers behoort dat tegenwoordig tot de mogelijkheden. Dat laten twee verschillende onderzoeksgroepen onafhankelijk van elkaar zien in Nature (12 februari) en Science (6 maart). Beide maakten gebruik van zogenoemde moleculaire-dynamicaberekeningen. Doordat de krachten tussen de atomen bekend zijn en hun bewegingen voldoen aan de wetten van Newton (die elke middelbare scholier heeft gehad), kan het gedrag van de atomen eenvoudig worden berekend. Er moet eigenlijk alleen maar heel veel gerekend worden. Zo werden een paar miljoen (koper)atomen eerst keurig netjes in de computer opgestapeld. Vervolgens werd een aantal een beetje verschoven, waardoor een dislocatie ontstond, waarna het hele kristal werd samengedrukt en de atomen aan zichzelf en aan elkaar werden overgelaten. Het enige probleem is dan nog om uit die enorme berg getallen die de computer levert de relevante informatie over de beweging van de dislocaties te vissen. Voor het eerst kon zo het vastlopen en weer losschieten van dislocaties kwantitatief worden bestudeerd. Dat is belangrijk, want hoe meer dislocaties er vast komen te zitten, hoe stijver het metaal wordt en hoe meer het weerstand gaat bieden aan verdere deformatie.

Het is nu zaak om ook de onderlinge interacties van verschillende typen dislocaties nauwkeurig te bestuderen, en antwoord te krijgen op de vraag hoe groot bijvoorbeeld de benodigde krachten zijn om deze naar elkaar toe te duwen of juist uit elkaar te trekken. Uiteindelijk zal dit moeten leiden tot meer begrip van simulaties op een grotere schaal, waar het niet meer mogelijk is om alle atomen in de tijd te volgen.