Jak zní diamant nebo plast? Laser a zvuk pomáhají vědcům odhalovat vlastnosti materiálů

„Máme klasickou dětskou zvonkohru. Ladění můžeme měnit délkou plíšků ze stejného materiálu,“ předvádí Petr Jaroš z Ústavu termomechaniky Akademie věd. Vedle ukazuje ještě jinou zvonkohru, v níž jsou všechny plíšky stejně velké, přesto zní každý jinak.

„Tady je mosaz, měď, ocel, hliník a plast – tenhle zní o půltón výš, tenhle o tercii. Snímáme jejich odezvu a dokážeme z ní určit mechanické vlastnosti materiálu, například symetrii krystalů – zda je kubická, monoklinická nebo jiná,“ vysvětluje.

Laser místo paličky

Ve skutečných experimentech vědci rozeznívají krystaly hmoty pomocí laserového paprsku. Vzniká při tom ultrazvuk, který lidské ucho neslyší. Jakub Kušnír z Ústavu termomechaniky proto ukazuje jeho zpomalenou simulaci.

„Zaměřím vzorek a uslyšíme zvuk. Podle něj je patrné, že jde o kov. V tomto případě posloucháme simulaci běžné oceli. Navíc podle místa, na které vzorek zaměříme, slyšíme mírně odlišnou frekvenci.“

U dalšího vzorku se ozývá spíše šum. „Tohle je diamant. Je tak tvrdý, že zvuk téměř netlumí.“

Právě podle odezvy vědci zkoumají krystalovou strukturu různých materiálů. Stejná látka totiž může krystalizovat několika způsoby, a tím získat odlišné vlastnosti. Výzkumníci se nyní soustředí například na takzvané materiály s tvarovou pamětí.

Tvarová paměť

„Představte si, že vyrobíme srdíčko a zmačkáme ho. Když ho potom zahřejeme, vrátí se do původního tvaru,“ říká Petr Jaroš.

Krystaly těchto speciálních materiálů lze totiž řízeně přeskupovat – teplem nebo například magnetickým polem.

„Máme tu plíšek, po kterém se pohybují proužky. Jejich pohyb řídí změna magnetického pole. A tady vidíte prototyp mikropumpy. Našemu kolegovi se podařilo sestrojit mikropumpu, která přečerpávala kapalinu z jedné nádoby do druhé,“ ukazují Stanislav Mestek a Jarmila Svobodová z Fyzikálního ústavu Akademie věd.

Budoucí výzkum

Podle vědců by podobná pumpa mohla být zavedena do lidského těla a dávkovat inzulin nebo jiné léky. Ovládal by ji zvenčí malý motorek s magnetem.

„Tento materiál známe už zhruba třicet let, mikropumpy také nejsou novinkou. Stále ale dostatečně nerozumíme jeho mikrostruktuře ani tomu, proč právě slitina niklu, manganu a galia vykazuje tento efekt v tak výrazné míře,“ říká Petr Veřtát z Fyzikálního ústavu.

Právě na to se chtějí výzkumníci zaměřit. Budou měřit odezvu atomů v krystalech a zjišťovat, jak přesně tento mechanismus funguje. Pokud se jim ho podaří objasnit, mohli by najít nebo vyvinout další materiály, které budou schopné měnit tvar na povel.