Amorfinen () tarkoittaa ”muodotonta” tai ”ilman muotoa olevaa”. Amorfisten metallien rakenne ei ole kiteinen tai on vain heikosti osakiteinen, eli niillä ei ole säännöllistä tai järjestäytynyttä atomirakennetta. Amorfiset metallit ovat yleensä metalliseoksia ja niiden valmistus perustuu yleensä nopeaan jäähdytykseen sulasta. Kiteettömän atomirakenteen takia amorfisilta metalleilta puuttuu materiaalia heikentävät raerajat, dislokaatiot ja pinoutumisvirheet. thumb|Esimerkkejä amorfisista metalleista, mitta millimetreinä
Historia Amorfiset metallit keksittiin vuonna 1952, kun Buckel ja Hilsch tutkivat ohuiden amorfisten filmien superkonduktiivista vaikutusta. Amorfisia metalleja alettiin kuitenkin tutkia enemmän vasta 1960-luvulla, kun Klement, Willens ja Duwez valmistivat Caltechissa amorfisen metalliseoksen kullasta ja piistä (Au75Si25). Heidän kehittämänsä nopean jäähdytyksen tekniikka mahdollisti myös muiden amorfisten metalliseosten kehittämisen ja tutkimisen. Kristalloitumisen estämiseksi jäähdytyksen tulee tapahtua nopeudella 106 K/s. Tämän jäähdytysnopeuden saavuttamiseksi valmistettujen amorfisten metallien paksuus oli oltava alle 100µm.
Vuonna 1976 H. Liebermann ja C. Graham kehittivät menetelmän, jolla voidaan valmistaa amorfista metallia ohuina nauhoina nopeasti pyörivällä alijäähdytetyllä pyörällä. Heidän käyttämänsä metalliseos sisälsi rautaa, nikkeliä, fosforia sekä booria, ja seos tunnetaan nykyään kauppanimellä Metglas. Sitä käytetään nykyään pienihäviöisissä voimavirtamuuntajissa.
1980-luvun alussa onnistuttiin valmistamaan 5 mm halkaisijaltaan olevia sauvoja palladium-, lyijy- ja antimoniseoksesta etsaamalla ja sen jälkeen suorittamalla useita lämmitys-jäähdytys-syklejä. Boorioksidivirtauksella paksuus saatiin kasvatettua jopa yhteen senttimetriin.
1990-luvulla kehitettiin useita metalliseoksia, joista voitiin valmistaa amorfisia metalliseoksia jäähdytysnopeudella 1 K/s. Tämä mahdollisti amorfisten metalliseosten bulkkituotannon ja valettujen amorfisten metalliseoslaattojen paksuuden kasvamisen jopa useisiin senttimetreihin.
Vuonna 2004 Virginian yliopiston tutkimusryhmä ja Oak Ridgen kansallinen laboratorio onnistuivat erillään valmistamaan amorfista terästä, joka huoneenlämmössä ei ole magneettista ja on mekaanisesti huomattavasti normaalia terästä vahvempaa.
Ominaisuudet Toisin kuin perinteisten kiteisten metallimateriaalien, amorfisten metallien atomitason rakenne on järjestäytymätön ja tiivis. Atomien järjestäytyminen muistuttaakin lähinnä lasien atomijärjestystä. Tämä rakenne saavutetaan metallin nopealla jäähdyttämisellä (ainakin 1 °C/s), jolloin kiteet eivät ehdi ydintyä. Nopean jäähdytyksen ohella amorfisen metallin valmistuksessa on keskeistä, että joukossa on atomikooltaan ainakin 12 % eroavia metalleja. Yleensä amorfiset metallit ovat vähintään kolmen metallin seoksia ja käytettyjen metallien sekoitusentalpian on oltava negatiivinen.
Tiheästä pakkautumisesta seuraa myös amorfisen metalliseoksen korkeampi viskositeetti ja hieman korkeampi tiheys (kg/m3) kuin kiteisellä muodollaan. Amorfisen metallin valmistukseen vaadittu nopea jäähdytys rajoittaa tuotettavan kappaleen kokoa, mutta selkeän sulamispisteen puuttuminen tekee muoveille käytettyjen muokkausmenetelmien, kuten ruiskuvalun, mahdolliseksi. Amorfinen metalli myös kutistuu jäähtyessään vähemmän.
Mekaaniset ja kemialliset ominaisuudet Amorfisilla metalleilla on tyypillisesti korkea Youngin moduuli (jopa yli 100 MPa) ja etenkin zirkoniumpohjaiset amorfiset metalliseokset ovat osoittautuneet mekaanisesti vahvoiksi. Niillä on myös niobium-, tantaali-, titaani- ja kromiseosten ohella hyvä myötölujuus ja korroosion kesto. Rauta- ja kobolttipohjaisilla amorfisilla metalliseoksilla on puolestaan todettu erinomaisia magneettisia ominaisuuksia. Magnesium- ja kalsiumpitoiset seokset ovat biologisesti aktiivisia ja niiden murtolujuus on hyvin lähellä luun ominaisuuksia.
Amorfiset metallit jakavat kuitenkin laseille tyypillisiä epätoivottuja ominaisuuksia, kuten haurauden etenkin vetorasituksessa. Vetolujuutta on pyritty nostamaan muun muassa nanopartikkeleita lisäämällä, ja palladiumpohjaisten seoksien murtolujuus on osoittautunut lupaavaksi nousten lähelle vahvimpien terästen arvoja.
Sovellukset Yksi kaupallisesti tuotettu amorfisen metallin sovellus on Vitreloy 1, joka sisältää 41,2 % zirkoniumia, 13,8 % titaania, 12,5 % kuparia, 10 % nikkeliä ja 22,5 % berylliumia. Vitreloy 1 kehitettiin vuonna 1992 Kalifornian teknillisen instituutin energialaitoksen ja NASAn yhteistyönä, kun he yrittivät löytää uusia ilmakehän ja avaruuden aineita. Kovuutensa ja elastisuutensa vuoksi sitä käytetään mm. golfpalloissa, suksissa, pesäpalloissa ja tennismailoissa.
Muita tunnettuja sovelluksia ovat Ti40Cu36Pd14Zr10 ja Mg60Zn35Ca5, joiden hyötykäyttöä lääketieteessä tutkitaan. Ti40Cu36Pd14Zr10:n ei uskota aiheuttavan karsinogeenejä ja se on kolme kertaa vahvempaa kuin titaani. Se on melkein yhtä joustavaa kuin luu ja sillä on korkea rasituksenkestävyys. Muokkaamalla metallin rakennetta lasersäteillä, voidaan se biologisesti liittää luuhun. Metalliseosta Mg60Zn35Ca5 tutkitaan sen biomateriaalisuutensa vuoksi; sitä voitaisiin hyödyntää luihin kiinnitettävinä ruuveina, neuloina tai laattoina.
Amorfisten metallien kehitys on vielä aluillaan, ja tarvitaan monia testejä ennen kuin niitä voi käyttää esimerkiksi ilmailuissa tai autoissa. Tällä hetkellä amorfisia metalleja käytetään urheiluvälineiden ja lääketieteen lisäksi partaterissä, panssareissa, kännyköiden kuorissa ja joissain kelloissa sekä sormuksissa.
Lähteet
Luokka:Metallurgia Luokka:Metalliseokset