Hipersonik çarpma elması grafite dönüştürdü

"Elmas sonsuza dek sürer" sözü, en sert doğal malzemenin dayanıklılığını anlatır. Texas A&M Üniversitesi Mühendislik Fakültesi ile Rice Üniversitesi'nden araştırmacılar bu iddiayı sınamak için laboratuvarda üretilmiş bir elmas kompozit hazırladı ve onu sesin sekiz katından fazla hızla giden alüminyum mermilerin önüne koydu. Beklenen sonuç hasardı. Ancak kompozitin bir bölümü, çarpmadan çok kısa bir süre sonra atom ölçeğinde bir değişime uğrayıp grafite dönüştü.

Çarpma anında ne oldu?

Ekip, şok dalgalarının elmas kompozitin sert iç yapısını hızla yeniden düzenlediğini gözlemledi. Malzemenin bazı kısımları, elmasa göre çok daha yumuşak bir karbon formu olan grafite döndü. Bu yumuşak faz, mermilerin getirdiği kuvveti emen, dağıtan ve yeniden paylaştıran bir tür anlık amortisör gibi davrandı.

Çalışma Materials Today dergisinde yayımlandı. Araştırmayı Texas A&M tarafında makine mühendisliği doktora adayı Aniket Mote ile makine mühendisliği profesörü Dr. Thomas Lacy yürüttü. Lacy, "Faz değişimini yakaladık ve malzemenin bir halden diğerine nasıl geçtiğini kaydettik" diyerek çalışmanın esas katkısını özetledi. Yani yalnızca hasar görüntülenmedi; dönüşümün kendisi izlendi.

Deney düzeneği

Testler, Texas A&M Transportation Institute bünyesindeki Hypervelocity Impact Laboratory'de yapıldı. Laboratuvarda, dünyadaki en yüksek verimli iki kademeli hafif gaz toplarından biri bulunuyor. Sistem mermileri çok yüksek hızlara çıkarabiliyor. Yüksek hızlı kameralar ve ultra hızlı sensörler de çarpma anının her aşamasını kaydediyor.

Mote, çıkış noktalarını şu soruyla anlattı: Aşırı koşullara maruz kalan malzemelerin davranışı kontrollü bir ortamda taklit edilip incelenebilir mi? Bu çalışmada hedef, hipersonik çarpmaya maruz bırakılan bir elmas kompozitti.

Kompozit nasıl üretildi?

Elmas, kristal karbon yapısı sayesinde bilinen en sert doğal malzeme sayılıyor. Buna karşın küçük elmas tanelerinden iri bir blok elde etmek mühendisler ve malzeme bilimciler için uzun süredir zor bir iş. Geleneksel yöntemler taneleri ısı ve basınçla birleştirmeye çalışıyor. Ancak uç koşullarda elmas bozuluyor ve eriyor.

Rice Üniversitesi ekibi bu sorunu aşmak için küçük elmas tanelerine iki ek bileşen kattı. Karışımı kıvılcım plazma sinterleme yöntemiyle tek parça hâline getirdi. Mote'a göre karışıma, bağlanmayı ve kararlılığı desteklemek için kübik bor nitrür ile kobalt eklendi. Ortaya çıkan malzeme yoğun ve dayanıklı, kütle halinde bir yapıydı.

Arka plan

Elmas ile grafit kimyasal olarak aynı elementten, karbondan oluşur. Aralarındaki fark atomların dizilişidir. Elmasta atomlar üç boyutlu, sağlam bir ağ kurar. Grafitte ise atomlar birbirine kayabilen katmanlar halinde dizilir. Kurşun kalemlerde kullanılan grafitin yumuşak olmasının nedeni budur. Yeterli basınç ve sıcaklıkta karbonun bir diziliş biçiminden diğerine geçmesi bu yüzden fiziksel olarak şaşırtıcı değil. Önemli olan, bu geçişin ne zaman, nasıl ve ne hızla gerçekleştiğini bir çarpma sırasında ölçebilmek.

Kıvılcım plazma sinterleme ise toz hâlindeki malzemelerin elektrik akımı ve basınç yardımıyla kısa sürede yoğun bir parçaya dönüştürüldüğü bir üretim tekniğidir. Elmas gibi işlenmesi güç malzemeler için bu tür yöntemler, taneleri tamamen eritmeden birleştirme imkânı sunar.

Neden önemli?

Havacılık, uzay ve savunma sistemleri çok yüksek basınç, aşırı sıcaklık ve hipersonik hızların bir arada görüldüğü ortamlarda çalışır. Bu koşullarda malzemeler göz açıp kapayana kadar geçen sürenin bir kesrinde kırılabilir, şekil değiştirebilir ya da görevini yitirebilir. Mühendisler bu kısa anlarda neler olduğunu anlamaya çalışıyor. Elmastan grafite geçiş bu anlara nadir bir pencere açıyor.

Lacy'ye göre faz değişimi neredeyse anında gerçekleşiyor ve bu bilgi, aşırı ortamlara daha iyi dayanan malzemelerin tasarımına yön verebilir. Hipersonik ve uzay araçları için bu, uçuş sırasındaki şiddetli şok dalgalarına ve mekanik gerilimlere dayanabilecek malzemeler anlamına gelebilir. Savunma tarafında ise bulgular, yalnızca darbeye karşı koyan değil, enerjinin hedef içinde nasıl aktarıldığını da yöneten koruyucu malzemelerin geliştirilmesine katkı sağlayabilir. Bu tür bir yapı, ağır darbeleri yumuşatabilir, hatta etkisiz hâle getirebilir.

Mote, projenin ultra sert malzemelerin hipersonik çarpma altındaki davranışına yeni bir bakış sunduğunu söylüyor. Lacy ise dönüşümün ulusal ve küresel araştırma ilgilerine hizmet edecek yeni nesil malzemelerin tasarımına yol gösterebileceğini belirtiyor. Elmasın bu deneyde grafite dönüşmesi deneyin sonu oldu, ama araştırmacılar için bu dönüşüm, aşırı koşullara dayanacak malzemeler üzerine yeni bir çalışma alanının başlangıcı olabilir.