Ala Baru Tahan di Suhu Sangat Rendah, Ilmuwan Temukan Mekanisme Anti-Retakan Baru

Sepasang ala eksperimen tetap tahan pada suhu 20 Kelvin (yaitu minus 423 derajat Fahrenheit atau minus 253 derajat Celsius), di mana logam sejenis biasanya menjadi rapuh dan patah. Penelitian ini dipimpin oleh tim internasional dari University of California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, dan University of Oxford. Penelitian menunjukkan bahwa ala berbasis niobium-titanium dan niobium-tantalum menghindari kegagalan melalui mekanisme mikroskopis yang tidak biasa, yang dapat memandu desain material untuk lingkungan suhu rendah.

Mengapa Dingin Membuat Beberapa Logam Patah

Kerapuhan Logam di Suhu Rendah

Sebagian besar logam menjadi lebih kuat saat didinginkan, namun logam kubus berpusat badan (BCC) seperti besi, tungsten, dan krom justru menjadi semakin rapuh seiring turunnya suhu karena struktur atomnya. Pada suhu sangat rendah, retakan yang biasanya diserap saat logam melengkung justru bisa menyebabkan patah. Proses pelengkungan logam ini sangat bergantung pada dislokasi, yaitu cacat garis dalam struktur kristal yang meluncur di dalam material. Di lingkungan kriogenik, pergerakan dislokasi jadi lebih sulit, membatasi kemampuan logam berdeformasi di sekitar retakan, sehingga meningkatkan kemungkinan patah.

Jalur Pelengkungan yang Berbeda

Mekanisme Deformasi Ala

Pada kedua ala ini, proses yang berbeda mendominasi. Peneliti mengamati fenomena kembar (twinning) skala nano, di mana area kecil kristal tersusun dalam orientasi cermin, dan struktur kristal lokal berubah. Saat area baru ini mencapai batas kristal tetangga, titik tegangan terpusat terbentuk, memicu cacat baru. Cacat-cacat ini memungkinkan logam terus berdeformasi tanpa patah. Tim peneliti membandingkannya dengan jaringan jalan yang merencanakan ulang rute di jalan beku yang tertutup: saat jalur deformasi biasa sulit dilalui, kembar membuka jalur baru agar cacat yang dibutuhkan bisa terbentuk.

Pada suhu pengujian terendah, ala-ala ini tidak menunjukkan transisi perilaku rapuh yang terukur.

Pengujian di Lingkungan Kriogenik

Peneliti menggunakan instrumen Engin-X di ISIS Neutron and Muon Source di Oxfordshire, mendinginkan sampel hingga sekitar minus 253 derajat Celsius, dan menguji dengan gas helium. Mesin pengujian menarik kedua ujung sampel, sambil menembakkan sinar neutron untuk mengukur gaya yang ditahan logam dan jarak regangan sebelum gagal. Kemudian, mikroskop elektron mengungkap perubahan struktur di sekitar retakan dan di dalam material, sedangkan analisis probe atom memetakan distribusi tiap unsur. Model komputer membantu menjelaskan bagaimana mekanisme ini bekerja sama mencegah kegagalan rapuh.

Implikasi Penelitian

Potensi Aplikasi Penelitian

Penulis korespondensi Dong Liu dari Department of Engineering Science, University of Oxford, menyatakan bahwa transisi tahan-ke-rapuh lama dianggap batasan fundamental logam BCC. Ia menilai ala ini tetap "cukup tahan kerusakan" pada 20 Kelvin, membuka pemikiran baru untuk merancang logam struktural yang beroperasi di lingkungan suhu sangat rendah, termasuk komponen yang terpapar suhu ekstrem tinggi dan rendah dalam satu aplikasi. Penulis utama David Cook, yang saat penelitian berada di UC Berkeley dan kini di University of Cambridge, menyebut peneliti biasanya fokus pada kemudahan pergerakan dislokasi yang sudah ada.

Ia menambahkan, kemampuan menciptakan dislokasi baru di antarmuka mungkin sama pentingnya, yang memungkinkan desainer membangun mikrostruktur yang menjaga ketahanan logam di suhu ekstrem.

Peneliti menilai temuan ini dapat memberi wawasan bagi desain material di bidang energi, transportasi, dan penerbangan. Institusi lain yang terlibat meliputi University of Bristol, ISIS Neutron and Muon Source, University of California, Irvine, Pacific Northwest National Laboratory, Texas A&M University, dan Nanyang Technological University Singapura. Penelitian ini pertama kali diterbitkan di jurnal Nature.

Potensi Aplikasi Ala Baru di Lingkungan Ekstrem

Penelitian ini mengungkap mekanisme ala baru yang tetap tahan di suhu sangat rendah, menantang pemahaman konvensional tentang logam BCC. Secara tradisional, logam semacam ini menjadi rapuh di suhu rendah, sedangkan ala baru justru menghindari kegagalan lewat fenomena kembar skala nano, menunjukkan potensi aplikasinya di kondisi ekstrem. Hal ini bermakna penting bagi desain material di bidang energi, transportasi, dan penerbangan, berpotensi mendorong pengembangan logam struktural lebih tahan lama, sehingga meningkatkan keandalan dan keamanan teknologi terkait.