Lasertechniek onthult hoe het elektronengedrag van titanium de fysieke eigenschappen ervan beïnvloedt

Een onderzoeksteam van de Yokohama National University heeft een manier ontwikkeld om te bestuderen hoe de oriëntatie en het gedrag van elektronen in titanium de fysieke kenmerken ervan beïnvloeden. Hun bevindingen, gepubliceerd in Communicatie natuurkunde op 18 december 2024 zou de weg kunnen vrijmaken voor de ontwikkeling van geavanceerdere en efficiëntere titaniumlegeringen.

Titanium is een zeer waardevol metaal vanwege zijn opmerkelijke weerstand tegen chemische corrosie, het lichte karakter en de hoge sterkte-gewichtsverhouding. De biocompatibiliteit maakt het ideaal voor medische toepassingen, zoals implantaten, protheses en kunstmatige botten, terwijl de sterkte en duurzaamheid nuttig zijn in de lucht- en ruimtevaart en precisieproductie.

Om een ​​idee te krijgen van hoe de atomen en elektronen van titanium deze eigenschappen genereren, gebruikten de onderzoekers een proces dat hoge harmonische generatie wordt genoemd.

“Wanneer we intense infraroodlaserpulsen op een vast materiaal laten schijnen, zenden de elektronen in dat materiaal lichtsignalen uit met frequenties die hoger zijn dan die van de oorspronkelijke laserstraal”, legt de eerste auteur van het onderzoek uit, professor Ikufumi Katayama van de Faculteit Ingenieurswetenschappen van de Yokohama National University. “Deze signalen helpen ons te bestuderen hoe de elektronen zich gedragen en hoe de atomen gebonden zijn.”

Het genereren van hoge harmonischen is moeilijk met titanium en andere metalen, omdat de vrije elektronen die ze tot uitstekende elektrische geleiders maken, ook sterk interageren met het laserveld en dit in het materiaal afschermen. Dit verzwakt de lichtsignalen, waardoor de helderheid ervan afneemt en het moeilijker wordt om gegevens te verzamelen.

“We hebben de laserinstellingen zorgvuldig afgestemd om het screeningeffect te verminderen, waardoor we duidelijk kunnen observeren hoe de elektronische structuur van titanium zich gedraagt”, zegt Katayama.

De onderzoekers gebruikten computersimulaties om de lichtsignalen te bestuderen die werden uitgezonden als reactie op de laser. Ze ontdekten dat de meeste daarvan afkomstig waren van elektronen die zich binnen bepaalde zones bewogen, de zogenaamde energiebanden. Deze banden fungeren als sporen waarin elektronen vrij kunnen bewegen. De richting van de laser en de manier waarop de titaniumatomen zijn gerangschikt, beïnvloedden hoe deze elektronen bewogen en zich bonden.

Titanium heeft een speciale uniaxiale structuur die kan veranderen tijdens het legeren, en de eigenschappen ervan, zoals sterkte en flexibiliteit, zijn afhankelijk van de richting waarin een kracht wordt uitgeoefend. Met andere woorden: titanium gedraagt ​​zich anders, afhankelijk van de richting waarin je erop duwt of trekt.

Het blijkt dat dit komt doordat de manier waarop de titaniumatomen zijn gerangschikt ervoor zorgt dat de elektronen niet in alle richtingen op dezelfde manier bewegen. Wanneer een laser titanium raakt, verandert de manier waarop de elektronen energie absorberen, wat invloed heeft op de manier waarop ze zich in verschillende richtingen binden.

De onderzoekers ontdekten ook dat er minder signalen werden uitgezonden wanneer elektronen zich tussen verschillende energiebanden bewogen, wat aantoont dat het elektronengedrag wordt beïnvloed door de manier waarop atomen zich uitlijnen. Dit verschil bepaalt of de bindingen sterk of zwak zijn, en dus hoe flexibel of taai titanium is.

“Door in kaart te brengen hoe deze bindingen met de richting veranderen, kunnen we begrijpen waarom titanium zulke unieke mechanische eigenschappen heeft”, zegt de hoofdauteur van het onderzoek, Dr. Tetsuya Matsunaga van de Japan Aerospace Exploration Agency.

“Dat helpt ons te begrijpen hoe we sterkere titaniumlegeringen kunnen ontwerpen die beter werken onder verschillende omstandigheden, wat zou kunnen helpen sterkere, effectievere materialen te creëren voor industrieën zoals de luchtvaart, de geneeskunde en de productie.”