Størkningsmysteriet løst

Erik Prytz Reitan og Nina E. Tveter
Foto: Ragnvald Mathiesen, NTNU

I 50 år har fysikere, matematikere og metallurger vært opptatt av å finne ut hva som faktisk skjer når to metaller størkner hurtig sammen til en legering. I fjor fant forskere ved NTNU en metode som gjør det mulig å gjøre slike studier. En nærmest ufattelig intens røntgenstråle var nøkkelen.

For første gang har forskere klart å feste hurtigstørkningsprosessen av en bly- og tinnlegering til film. Bildene viser hvordan blykrystaller blir felt ut i en legering av omtrent like mengder bly og tinn. Mellom bilde 1 og 2 har det gått seks sekunder. Størrelsen på bildene er én kvadratmillimeter.

Man skulle tro at forskere og industri for lengst har full kontroll på hva som skjer når to metaller blir til en legering. Men først nå foreligger muligheten til å gjennomlyse metallene med så intens stråling at hurtige størkningsprosesser kan studeres. Med denne nye kunnskapen vil det i framtiden kunne bli enklere å forutsi hvilken mekanisk styrke og hvilke fysiske egenskaper en legering vi få.

«Jukset» med organisk
Inntil nylig har forskerne «jukset litt» for å tilegne seg kunnskap om metalls størkningsprosesser. De har studert enkelte typer gjennomsiktige organiske materialer i lysmikroskop. Selv om de organiske modellene har mange likhetstrekk med metall når de størkner, har de såpass forskjellige fysiske egenskaper i forhold til metallene at overføringsgraden er begrenset.

Dermed bestemte post doc. Ragnvald Mathiesen ved Institutt for fysikk, seg for å teste om en kraftig røntgenstråle kunne gjennomlyse en metall-legering slik at det var mulig å filme størkningsprosessen med høyoppløsningskamera.

Sammen med professorene Frode Mo ved Institutt for fysikk og Lars Arnberg ved Institutt for materialteknologi og elektrokjemi, planla han eksperimenter ved strålingslaboratoriet European Synchroton Radiation Facility (ESRF) i Grenoble i Frankrike. I dette synkrotronanlegget dannes røntgenstråler med ekstrem intensitet - mange ganger sterkere enn røntgenstråler man bruker på sykehus og i andre laboratorier.

I et synkrotronanlegg akselererer man elektroner opp til hastigheter nær lysets (om lag 300 000 kilometer i sekundet). Elektronene blir sendt inn i et ringformet vakuumkammer med en omkrets på cirka 800 meter. Kraftige magneter sørger for at elektronene blir bøyd slik at de følger en sirkulær bane. I det elektronstrålingen bøyes av, dannes røntgenstråling.

Gjennomlyser metallet
Ved ESRF-laboratoriet i Grenoble rigget Mathiesen til metallprøvene i små glassbeholdere - med en størrelse på 1,5 x 3 centimeter og en tykkelse på 0,1 millimeter. Røntgenstrålen er 1 x 1 millimeter.

Bak glassbeholderne satte han opp en scintillator; en innretning som omformer røntgenstråler til synlig lys. Dette er nødvendig for at kameraet skal fange det som skjer. Mellom kameraet og scintillatoren finnes en del vanlige optiske instrumenter, blant annet forstørrende objektiver og speil.

Glassbeholderne med metallprøvene ble ført igjennom to ovner med ulik temperatur. I det legeringen størknet, ble den «gjennomlyst» av den kraftige røntgenstrålen slik at prosessen kunne filmes.

Mathiesens eksperimenter var vellykket, og størkningsprosessen er dokumentert slik at forskerne kan studere i detalj hva som skjer under størkningen. I dette forsøket brukte han bly og tinn fordi disse metallene har en relativt enkel struktur. Men metoden kan brukes for flere metallegeringer. Veien videre i denne grunnforskningen er derfor å kartlegge hvordan andre metallegeringer oppfører seg når de størkner. Neste par ut er aluminium og kobber.

GEMINI - fakta

Norge er medeier i ESRF gjennom NORDSYNC. Norge eier også, sammen med Sveits, en av de 40 strålingslinjene i synkrotonanlegget . ESRF er et av de tre kraftigste synkrotonanleggene i verden. Røntgenstråler fra et synkrotonanlegg er ekstremt sterke og har til dels andre egenskaper enn stråling fra tradisjonelle røntgenkilder.

Synkrotronstråling blir et stadig viktigere verktøy for blant annet fysikere, kjemikere, materialforskere, biologer, metallurger og geologer som arbeider med struktur på atom- og molekylnivå. Årlig utfører om lag 3500 forskere ulike eksperimenter ved ESRF.

Gjennom Norges eierskap i den sveitsisk-norske strålelinja (SNBL) har norsk materialforskning fått en unik mulighet til å delta i de fremste rekker i moderne faststoff-forskning.

Ragnvald Mathiesens forskning er støttet av Norges forskningsråd.

* Kontakt ved NTNU: Ragnvald Mathiesen
Tlf.: 73 59 35 84
E-post: ragnvald.mathiesen@phys.ntnu.no