เหล็กซ่อมแซมตัวเองและฆ่าเชื้อแบคทีเรีย: วิธีที่วัสดุที่ง่ายที่สุดถูกคิดค้นขึ้นใหม่

เหล็กที่ “รักษา” ตัวมันเอง 

ในภาพยนตร์นิยายวิทยาศาสตร์ ความเสียหายที่เกิดกับหุ่นยนต์จะรักษาได้ด้วยตัวเอง

ตัวคุณเอง.รอยขีดข่วนบนตัวรถที่สามารถรักษาตัวเองได้ด้วยตนเองถือเป็นความฝันของเจ้าของรถหลายๆ คน ยิ่งไปกว่านั้นเหล็กดังกล่าวก็มีอยู่แล้ว แต่ผลิตได้ยากและมีราคาแพง ดังนั้นเหล็กชนิดนี้จึงยังคงใช้ในการก่อสร้างเป็นหลัก - สำหรับแผงด้านหน้าและวัสดุมุงหลังคาที่จะไม่เกิดสนิม ตัวอย่างเช่นเมื่อความเสียหายต่อหลังคาของคลังสินค้าซึ่งจัดเก็บสินค้าที่ไม่ทนต่อการสัมผัสกับน้ำจะไม่ได้รับอนุญาต

การเคลือบแบบซ่อมแซมตัวเองเป็นพิเศษสี ที่แกนกลางของพวกเขา  ไมโครแคปซูลที่มีวัสดุโพลีเมอร์พิเศษ หากมีผลกระทบทางกล เช่น รอยขีดข่วน แคปซูลจะถูกทำลายและวัสดุจะถูกปล่อยออกมา ซึ่งครอบคลุมบริเวณที่ได้รับบาดเจ็บ และชั้นโพลีเมอร์จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิว โดยจะ “รักษา” ความเสียหายโดยทำปฏิกิริยากับขอบของสารเคลือบที่ไม่เสียหายและทำให้รอยขีดข่วนหาย พร้อมทั้งแยกพื้นที่ออกจากอากาศ ป้องกันการกัดกร่อนของโลหะ

ความยากลำบากในการผลิตเหล็กที่มีสารเคลือบดังกล่าวอยู่ที่การสร้างสีด้วยไมโครแคปซูลและในการใช้งาน

สีเป็นสารละลายคอลลอยด์ของโพลีเมอร์ตัวดัดแปลงและไมโครแคปซูลขนาดหลายไมโครเมตร ตัวดัดแปลง กล่าวคือ สารยึดเกาะ จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าพอลิเมอร์อยู่ภายในไมโครแคปซูลในสถานะของเหลว องค์ประกอบของส่วนผสมนั้นจัดอยู่ในประเภท และมีเพียงไม่กี่บริษัททั่วโลกเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการผลิต เทคโนโลยีนี้เป็นเทคโนโลยีใหม่และยังอยู่ในระยะนำร่อง

"สารเคลือบรักษาตัวเองเป็นสีพิเศษ"

องค์ประกอบในสถานะของเหลวถูกนำไปใช้กับเหล็กและจากนั้นสารยึดเกาะจะถูกลบออกโดยใช้เตาอบแห้งโดยปล่อยให้ชั้นพอลิเมอร์ต่อเนื่องมีไมโครแคปซูล สิ่งสำคัญคือต้องกระจายการเคลือบอย่างสม่ำเสมอและตัวแคปซูลเองจะไม่เสียหาย มิฉะนั้น คุณสมบัติของเหล็กจะแตกต่างกันในแต่ละพื้นที่

หากตลาดชื่นชมคุณสมบัติของวัสดุ การผลิตจะมีขนาดใหญ่ขึ้น และราคาต่อหน่วยของผลิตภัณฑ์ลดลง ก็สามารถคาดการณ์ได้ว่าเหล็กดังกล่าวจะแพร่หลาย

เหล็กกล้านักฆ่าแบคทีเรีย

ใช้เหล็กเคลือบสารต้านแบคทีเรียในยา. ใช้ทำเครื่องมือแพทย์ ส่วนประกอบของอาคารโรงพยาบาล เช่น ราวบันไดหรือแผงบนผนัง ซึ่งจุลินทรีย์ที่เป็นอันตรายมักสะสมอยู่ นอกจากนี้ ในช่วงการแพร่ระบาด ผู้ผลิตอุปกรณ์หลายราย โดยเฉพาะสมาร์ทโฟนและแล็ปท็อป เริ่มทำเคสอุปกรณ์

มีหลายรูปแบบเกี่ยวกับวิธีการเหล็กได้รับคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรีย บ่อยครั้งที่การเคลือบโพลีเมอร์ถูกนำไปใช้กับพื้นผิวของวัสดุซึ่งรวมถึงไอออนเงินและทองแดง โลหะเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากในการต่อสู้กับจุลินทรีย์: เมื่อสัมผัส พวกมันจะทำลายเปลือกของพวกมัน ฆ่าจุลินทรีย์ได้ 99%

แต่มีการพัฒนาอื่น ๆตัวอย่างเช่น หากเหล็กถูกจุ่มลงในสารละลายอิเล็กโทรไลต์และใช้แรงดันไฟฟ้าในลักษณะพิเศษ โครงสร้างนาโนจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิว: หลุมขนาดเล็กมาก หนามแหลม และเข็ม พวกมันทำลายเยื่อหุ้มแบคทีเรียและฆ่าพวกมันเช่นเดียวกับไอออนของโลหะ ในเวลาเดียวกันกระบวนการทางเทคโนโลยีที่ผลิตเหล็กดังกล่าวไม่แตกต่างจากที่ใช้ในการแปรรูปวัสดุอยู่แล้ว - ในทำนองเดียวกันโลหะจะถูกขัดเงาหรือให้คุณสมบัติป้องกันการกัดกร่อน

ทั้งสองวิธีมีความปลอดภัยสำหรับเซลล์สัตว์และพืช: ขนาดของพวกมันเกินขนาดของจุลินทรีย์อย่างมาก บุคคลไม่มีอะไรต้องกลัว

ขอบเขตการใช้งานที่น่าสนใจสำหรับเหล็กที่มีสารเคลือบต้านแบคทีเรียในปัจจุบันคือการผลิตแผงระบายอากาศและหุ้ม - ตัวอย่างเช่น การตกแต่งภายในในการขนส่งและในอาคาร

"นักโลหะวิทยากำลังมองหาวิธีการสร้างทั้งเหล็กที่แข็งแรงและน้ำหนักเบาเพื่อทำชิ้นส่วนที่เบา"

เหล็กสำหรับงานหนัก - สำหรับเครื่องจักรงานหนัก

นักโลหะวิทยากำลังมองหาวิธีการสร้างพร้อมๆ กันเหล็กที่แข็งแรงและเบาเพื่อทำชิ้นส่วนที่เบา ในการผลิตรถยนต์จะเป็นการเพิ่มความเร็วและความปลอดภัยของผู้ขับขี่ และในการผลิตอุปกรณ์พิเศษ ตัวถังที่ทนทานและน้ำหนักเบาจะลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงลง

เพื่อให้ได้ค่าพารามิเตอร์ที่ต้องการ นักโลหะวิทยาจึงสร้างโครงสร้างโลหะที่มีเฟสต่างๆ ผสมกัน ซึ่งบางส่วนมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น ในขณะที่ส่วนอื่นๆ มีหน้าที่ในการรักษาความเหนียว

โดยรวมแล้วเหล็กหลายขั้นตอนมีความโดดเด่นในด้านโลหะวิทยา:เฟอร์ไรท์ ตามด้วยเพอร์ไลต์ ซอร์ไบท์ ทรอสไทต์ เบไนต์ และมาร์เทนไซต์ เฟอร์ไรต์มีลักษณะเฉพาะที่มีความแข็งแรงต่ำ ในขณะที่มีความเหนียวและยืดออกได้ง่าย ยิ่งเฟสห่างจากเฟอร์ไรต์มากเท่าไหร่ ก็ยิ่งมีความแข็งแรงสูงและความเหนียวที่ต่ำลงเท่านั้น

หากเพิ่มเมทริกซ์เฟอร์ไรท์ที่เป็นพลาสติกสลับกับเฟสที่แรงกว่า (เช่น มาร์เทนไซต์) คุณจะได้ "พาย" ที่เป็นทั้งพลาสติกและแข็งแรง - เนื่องจากคุณสมบัติของแต่ละเฟส ในเวลาเดียวกัน มันจะยากกว่าที่จะได้เหล็กที่ประกอบด้วยเฟสต่างๆ กัน หากอยู่ห่างจากกัน 

เหล็กเฟอร์ไรต์ - เพิร์ลลิติกเรียนรู้มานานแล้ววันนี้เป็นหนึ่งในงานมาตรฐานของโลหกรรม Ferrite-troostite และ ferrite-bainitic steel นั้นหาได้ยากกว่ามาก แต่บริษัทด้านโลหะวิทยาขนาดใหญ่เชี่ยวชาญในเรื่องนี้ แต่เฟอร์ไรท์-มาร์เทนไซต์ที่แข็งแกร่งนั้นเป็นผลมาจากกระบวนการทางเทคโนโลยีที่ซับซ้อนซึ่งต้องใช้อุปกรณ์พิเศษและการพัฒนาเทคโนโลยีในระดับหนึ่ง

เหล็ก "หัวใจ" ของเครื่องใช้ไฟฟ้า

หนึ่งในขอบเขตการใช้งานของเหล็กก็คือวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้า - การผลิตแกนสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และมอเตอร์ไฟฟ้า เหล็กเป็นวัสดุพิเศษที่สามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้เอง นี่เป็นเพราะโครงสร้างอะตอมของมัน 

อะตอมเหล็กมีโครงสร้างเปิดอยู่สี่โครงสร้างในโครงสร้างเปลือก 3 มิติและแทนที่จะเป็นสิบอิเล็กตรอนมีเพียงหกเท่านั้น ในกรณีขององค์ประกอบบางอย่าง (นอกเหนือจากเหล็ก เช่น นิกเกิลและโคบอลต์) การเติมอิเล็กตรอนสองตัวในเปลือก 4s ซึ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากที่สุด จะมีความกระฉับกระเฉงมากกว่าการเติมอิเล็กตรอนในเปลือก 3 มิติ ส่งผลให้มีอิเล็กตรอนเพียงไม่กี่ตัวที่โมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจรและการหมุนไม่ได้รับการชดเชย พวกมันหมุนในวงโคจรรอบนิวเคลียสและสร้างสนามแม่เหล็กของพวกมันเอง

โลหะบางชนิด (ทอง อะลูมิเนียม) มีอิเล็กตรอนบนเปลือกชดเชยซึ่งกันและกันเนื่องจากวัสดุไม่สร้างสนามแม่เหล็ก มีโลหะอื่นๆ อีกมากที่มีเปลือก d ที่ยังไม่เสร็จที่สามารถทำให้เป็นแม่เหล็กได้ แต่มีเพียงเหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์เท่านั้นที่แสดงคุณสมบัติเหล่านี้ที่อุณหภูมิห้อง ไม่ใช่แค่ทำให้เย็นลงเท่านั้น

เหล็กในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องมีแม่เหล็กอย่างดีในสนามแม่เหล็กภายนอกและแม่เหล็กใหม่อย่างรวดเร็วเมื่อเปลี่ยนทิศทาง สำหรับเครือข่ายอุตสาหกรรมและที่อยู่อาศัยส่วนใหญ่ สิ่งนี้จะเกิดขึ้น 50 ครั้งต่อวินาที ข้อกำหนดหลักในกระบวนการนี้คือความง่ายในการย้อนกลับของการทำให้เป็นแม่เหล็กได้อย่างแม่นยำ ซึ่งจะทำให้มั่นใจได้ว่าจะใช้พลังงานน้อยที่สุดในระหว่างการทำงานของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

เหล็กเป็นวัสดุที่เป็นผลึกโครงสร้างที่อะตอมตั้งอยู่ที่ยอดขอบและตรงกลางลูกบาศก์ เกือบจะเหมือนในเลโก้ ปรากฎว่าสนามแม่เหล็กแต่ละอันของแต่ละอะตอมรวมกันเป็นสนามร่วม - เนื่องจากมัน ชิ้นส่วนที่ทำจากเหล็กสามารถกลับเป็นแม่เหล็กใหม่ ถูกดึงดูดด้วยแม่เหล็ก หรือทำหน้าที่ในบทบาทของพวกมันเอง

“เหล็กเป็นวัสดุเฉพาะที่สามารถสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองได้”

เหล็กเฉพาะสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า

เหล็กหม้อแปลงเป็นหนึ่งในชนิดย่อยเหล็กไฟฟ้า มีโครงสร้างพิเศษ โดยที่ตะแกรงคริสตัลของแต่ละส่วนของเหล็กมีการวางแนวที่เท่ากันในอวกาศ ซึ่งทำให้สูญเสียพลังงานน้อยที่สุดระหว่างการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้า

และตอนนี้ด้วยคำง่ายๆเหล็กปริมาณมากมีความแตกต่างกัน - ประกอบด้วย "เม็ด" ของโลหะขนาดเล็กซึ่งอะตอมก่อตัวเป็นตาข่ายคริสตัลลูกบาศก์ ในเวลาเดียวกัน ในเหล็กธรรมดา "เกรน" ที่แตกต่างกันสามารถถูกจัดวางให้สัมพันธ์กันโดยสัมพันธ์กัน - สนามแม่เหล็กของพวกมันตามลำดับก็มีทิศทางต่างกันเช่นกัน

ในเหล็กหม้อแปลงไฟฟ้า นักโลหะวิทยาประสบความสำเร็จเพื่อให้เกิดความเบี่ยงเบนระหว่างโครงตาข่ายของ "เม็ด" ที่แตกต่างกันเพียงไม่กี่องศา เป็นผลมาจากการวางแนวนี้ ได้วัสดุที่มีแนวโน้มในโครงสร้างเป็นผลึกเดี่ยว ราวกับว่าอะตอมของวัสดุทั้งหมดรวมอยู่ในตาข่ายเดียว ไม่ใช่ "เม็ด" แต่ละตัว โครงสร้างของโลหะดังกล่าวจากมุมมองของทฤษฎีคลาสสิกของ ferromagnetism เป็นข้อได้เปรียบที่กระฉับกระเฉงที่สุดเนื่องจากสนามแม่เหล็กผ่าน "เม็ด" ทั้งหมดไปในทิศทางเดียวและให้การกลับตัวเป็นแม่เหล็กอย่างรวดเร็วของแกนกลางของหน่วยไฟฟ้า ด้วยการสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด

วงจรการผลิตทางเทคโนโลยีเหล็กหม้อแปลงไฟฟ้ามีความซับซ้อนที่สุดในโลหะวิทยาที่เป็นเหล็กทั้งหมด เหล็กถูกถลุงโดยใช้องค์ประกอบทางเคมีบางอย่าง: ตัวอย่างเช่นเพิ่มซิลิกอนลงไปเนื่องจากความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและกระแสพื้นผิวไม่รบกวนสนามแม่เหล็ก ถัดมาคือการรีดร้อน การดอง การรีดเย็น การหลอมละลายคาร์บอน การรีดเย็นครั้งที่สอง การใช้การเคลือบป้องกัน การหลอมที่อุณหภูมิสูง การใช้การเคลือบฉนวนไฟฟ้า และในบางกรณี การเคลือบพื้นผิวด้วยเลเซอร์

ในแต่ละขั้นตอนของเทคโนโลยีจะมีการตัดสินใจงานหลายอย่าง เริ่มต้นด้วยการหารูปทรงเรขาคณิตของแถบที่ต้องการและสิ้นสุดด้วยการก่อตัวของรอยต่อในชั้นผิวของโลหะหรือทั่วทั้งส่วนของแถบ

เหล็กโครงสร้างนาโนที่ดูเหมือนยาง

โครงสร้างนาโนเรียกว่าโครงสร้างเหล็กซึ่งเลือกองค์ประกอบทางเคมี - เพิ่มแมงกานีส, คาร์บอน, โครเมียม - และพารามิเตอร์การประมวลผลสร้างโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ ให้ความแข็งแรงและความเหนียวสูง

ก่อนหน้านี้ เพื่อให้ได้วัสดุดังกล่าว พวกเขาถลุงเหล็กที่มีโครงสร้างไม่มั่นคงเนื่องจากในระหว่างการเปลี่ยนรูปขั้นตอนต่าง ๆ ของโลหะผ่านจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งทำให้คุณสมบัติของพวกเขาเปลี่ยนไป กล่าวอีกนัยหนึ่ง เหล็กมีความแข็งแรงมากขึ้นภายใต้ความเค้นทางกล

และเหล็กโครงสร้างนาโนเป็นวัสดุในโดยที่ "เม็ด" แต่ละอันมีแนวคู่ไปในทิศทางตรงกันข้าม ปรากฎว่าเป็นวัสดุที่ไม่ยุบในระหว่างการเปลี่ยนรูป แต่ยืดออก - ในแง่ของคุณสมบัติมันเหมือนยางมากกว่า เหล็กโครงสร้างนาโนสามารถยืดออกได้ถึง 50% ของความยาวเดิมโดยไม่แตกหัก และยังรับน้ำหนักได้ 10 ตันต่อตารางเซนติเมตร ในการเปรียบเทียบ เหล็กธรรมดามีความแข็งแรงน้อยกว่า 2.5 เท่า และสามารถยืดออกได้เพียง 20-25% เท่านั้น

เนื้อหานี้แม้ว่าจะจนถึงตอนนี้มันผลิตในโหมดทดสอบเท่านั้นและในปริมาณน้อย มีโอกาสที่ดีในอุตสาหกรรมยานยนต์และวิศวกรรมเครื่องกล: เหล็กโครงสร้างนาโนสามารถใช้เพื่อให้ได้ชิ้นส่วนที่แข็งแรงที่มีรูปร่างซับซ้อน แต่ในขณะที่การผลิตไม่ได้ผลิตเป็นจำนวนมากเนื่องจากความซับซ้อนและต้นทุนสูง ด้วยเหตุนี้ ราคาของแต่ละแผ่นจึงสูงเกินไป หากความต้องการวัสดุเพิ่มขึ้น การผลิตจะใช้ขนาดที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง จากนั้นราคาของแต่ละแผ่นจะเป็นที่ยอมรับ ใครจะไปรู้ บางทีในอนาคตอันใกล้ เครื่องจักรทั้งหมดจะทำจากเหล็กดังกล่าว

โลหะวิทยาในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมาได้ก้าวไปข้างหน้าอย่างทรงพลัง: วัสดุที่ถือว่าเป็นนิยายวิทยาศาสตร์เมื่อครึ่งศตวรรษที่ผ่านมาสามารถรับได้ในระดับอุตสาหกรรม ส่วนใหญ่ยังไม่แพร่หลาย แต่ยังไม่ทราบว่าตลาดจะมีพฤติกรรมอย่างไร: ในไม่ช้าเราอาจจะได้เห็นเหล็กชนิดใหม่ ๆ ในสมาร์ทโฟน ตู้เย็น และเตาไมโครเวฟ

อ่านเพิ่มเติม:

ปรากฎว่าเกิดอะไรขึ้นกับสมองของมนุษย์หลังจากอยู่ในป่าหนึ่งชั่วโมง

เป็นที่ทราบกันดีว่าชาชนิดใดทำลายโปรตีนในสมอง

สัตว์ทะเลประหลาดที่อยู่ลึกลงไปในมหาสมุทรกลายเป็นเหมือนมนุษย์