Česká věda a pochopení podstaty tvrdosti

Nové práce českých vědců neunikly pozornosti prestižních světových vědeckých médií. Antonín Šimůnek a Jiří Vackář z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR publikovali počátkem března v americkém časopise Physical Review Letters článek o tom, jak bez využití empirických údajů o krystalu vypočítat, a tím předpovědět jeho tvrdost. Již několik dnů poté se na PhysicsWeb objevila velice příznivá recenze o jejich nové metodě výpočtu tvrdosti, která je průlomová tím, že vychází pouze ze základních fyzikálních principů. Výsledky získané na základě výpočtů z prvních principů se dobře shodují s experimentálními daty a mohly by vědcům pomoci při přípravě tvrdších materiálů. Tvrdost je mírou odporu materiálu, když do něj vniká materiál cizí. Současné kvantitativní měření tvrdosti je založeno na měření plochy poškození povrchu vzorku tvrdým hrotem. Hrot je do měřeného materiálu vtlačen určitou silou, podíl velikosti této síly k ploše poškození povrchu hrotem je experimentálně změřená tvrdost vzorku. Takto získané hodnoty tvrdosti závisí na použité zkušební metodě - např. hrot Knoopova diamantu vytvářející vtisk do měřeného vzorku je ostřejší než hrot Vickersův, takže Knoopův test poskytuje nižší hodnoty tvrdosti než test Vickersův. Měřené hodnoty tvrdosti téhož materiálu se mohou vzájemně lišit o více než 10 %. Jak hodnoty této tak důležité vlastnosti látek pro technické aplikace materiálu závisí na složení, strukturních a vazebních vlastnostech látek, tyto testy mnoho neprozradí. Před třemi lety učinil významný krok k tomuto cíli vědecký tým vedený Famingem Gao z Yanshanské univerzity v Číně. Tým prezentoval vzorec pro tvrdost kovalentních krystalů, který vychází ze vzdálenosti mezi atomy materiálu a ionicity kovalentní vazby příslušného krystalu. Využitím těchto empirických dat jeho vzorec pro látky s kovalentní vazbou potvrzuje, že teorie s experimentem souhlasí. Jako příklad látek s kovalentní vazbou se uvádí diamant a technicky velmi důležité polovodiče jako křemík, germanium, galium arsenid, aluminium arsenid, apod. Čeští vědci z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR Antonín Šimůnek a Jiří Vackář posunuli tento výzkum o podstatný krok dále tím, že jejich nová metoda pro výpočet tvrdosti krystalů - jak kovalentních, tak iontových - vychází pouze z prvních principů. Nový vzorec pro výpočet tvrdosti je matematicky jednoduchý a obsahuje parametry, které lze bez jakýchkoliv experimentálních údajů zjistit výpočtem. Právě jednoduchost výrazu pro tvrdost umožňuje analyzovat podstatu této veličiny, tj. objasnit příčinu tvrdosti (či "měkkosti") krystalů. Díky této rovnici došli vědci rovněž k nečekanému výsledku, který je v rozporu s doposud ustáleným názorem, že čím je větší počet nejbližších sousedních atomů, tj. čím více má atom vazeb ke svým nejbližším sousedům a je tedy "opřen" o co nejvíce sousedů - tím je tvrdost látky větší. Nový vztah pro tvrdost naopak ukazuje, že pro vysokou tvrdost je optimální obklopení pouze čtyřmi nejbližšími vazebními partnery. "Naše práce vede k hlubšímu pochopení podstaty tvrdosti krystalů," říká Antonín Šimůnek, vedoucí Sekce fyziky pevných látek Fyzikálního ústavu AV ČR.