أول “سبائك خارقة” في العالم يمكن أن تغير طريقة تصنيع المعادن: ScienceAlert

السبائك المعدنية تُستخدم في كل مكان بدءًا من الطائرات وحتى أدوات المائدة، مما يجعلها جزءًا لا غنى عنه في الحياة العصرية.

ويواصل العلماء محاولة إيجاد طرق لتحسينها، وهو ما يعود غالبًا إلى الطريقة التي تشكلت بها في البداية.

الصلب هو واحد من الكلاسيكيات أمثلة سبائك: في الغالب حديد مع قليل من الكربون وعناصر أخرى، مما يجعله أقوى وأصلب بكثير من الحديد بمفرده.

الآن، توصل فريق دولي من الباحثين إلى طريقة جديدة لبناء السبائك. الطريقة الموصوفة في ورقة جديدة نشرت في علوم، يعد بصنع المعادن عدة مرات أقوى من المواد التي نعتمد عليها اليوم.

وتتمثل الحيلة في استخدام درجات حرارة أقل وأكثر تحكمًا من المعتاد لتصنيع السبائك، وترك المعدن “يخبز” لفترة محددة.

يؤدي هذا إلى تكوين أكثر استقرارًا وتنظيمًا للذرات، موضوعة في كتل تُعرف بالحبيبات، وهي أصغر حجمًا وأكثر تعبئة بشكل جيد من المعتاد.

“لأكثر من قرن من الزمان، ركز تطوير السبائك على التركيب والمعالجة” يقول عالم المواد جيان فنغ ني من جامعة موناش في أستراليا.

“يشير عملنا إلى أن كيفية تنظيم الذرات أثناء التصنيع قد تكون بنفس القدر من الأهمية.

“إن الأهمية الحقيقية ليست فقط هذه السبيكة المحددة، ولكن إثبات أن الذرات يمكن أن تنظم نفسها ذاتيًا في هياكل خالية من العيوب في مادة معدنية كبيرة الحجم، وهذا يعني قطعة كبيرة ومستمرة من المعدن، وليس طبقة رقيقة أو فيلم أو عينة مجهرية.”

تعتبر هذه الملاحظة حول القياس مهمة، كما أن فكرة الحبوب الأصغر حجمًا والأفضل تنظيمًا لها أهمية كبيرة تم استكشافها من قبل، ولكن توسيع نطاقه إلى شيء قابل للاستخدام يمثل تحديًا.

في الدراسة الجديدة، قام الباحثون بخلط خمسة معادن معًا: الهافنيوم، والنيوبيوم، والتنتالوم، والتيتانيوم، والزركونيوم. بعد فترة وجيزة ارتفاع درجة الحرارة في مرحلة الانصهار، تم إسقاط السبيكة إلى درجة حرارة منخفضة نسبيًا تبلغ 550 درجة مئوية (1022 درجة فهرنهايت) وتركت لعدة ساعات وحتى أيام.

وفي حوالي 32 ساعة، حصل الباحثون على أفضل النتائج: “سبيكة فائقة” تسمى سبيكة حرارية عالية الإنتروبيا (RHEAD).

إنها أقوى بمرتين من الفولاذ، وأقوى بثلاث مرات من الألومنيوم، وأقوى مرتين من نفس السبيكة المصنوعة بطريقة تقليدية.

“من خلال التحكم بعناية في كيفية تنظيم الذرات أثناء المعالجة، تمكنا من إنشاء بنية شديدة الترابط تتمتع بقوة واستقرار استثنائيين.” يقول عالم المواد يو تشانغ من جامعة تشونغتشينغ في الصين.

يؤدي اختيار المعادن وطريقة التحضير إلى خلق الظروف الملائمة لذرات السبائك لتنظيم نفسها في أنماط حبيبية متكررة، والاستجابة للضغوط الطبيعية بين المواد المختلطة لإنشاء بنية خالية من العيوب.

هذا التنظيم، بالإضافة إلى عدم وجود عيوب وفجوات بين الحبوب المتكررة، هو ما يعطي قوة إضافية.

وأظهرت الاختبارات أن السبيكة الجديدة حققت قوة خضوع للضغط تزيد عن 2 جيجاباسكال مع الحفاظ على ليونتها، مما يعني أنها تنحني دون أن تنكسر.

“إذا كان من الممكن تطبيق هذا المفهوم على نطاق أوسع، فقد يفتح الباب أمام مواد ذات خصائص كانت تعتبر في السابق بعيدة المنال، مع ما يترتب على ذلك من آثار على تصميم السبائك التي يمكن تطبيقها عبر العديد من الأنظمة والصناعات.” يقول لا.

“بدلاً من زيادة محتوى السبائك لتحقيق أداء أفضل، قد نكون قادرين على تصميم هياكل داخلية توفر خصائص فائقة مع عدد أقل من عناصر السبائك. وقد يؤدي ذلك إلى إنتاج سبائك أكثر كفاءة واستدامة وفعالية من حيث التكلفة.”

ويقول الباحثون إن اكتشافاتهم تفتح ثروة من الاحتمالات للتصنيع المستقبلي في كل شيء من الفضاء لأنظمة الطاقة – وحتى التقنيات التي لم يتم تصورها بعد.

متعلق ب: معدن غريب من خارج كوكبنا تم رصده في مخبأ الكنز القديم

هناك الكثير من العمل للقيام به بالرغم من ذلك. بعد ذلك، يريد الفريق أن يفهم ليس فقط ما تفعله الذرات فيما يتعلق بإعادة ترتيب نفسها، ولكن أيضًا سبب قيامها بذلك، وهو ما من شأنه أن يمكّن من توسيع هذه التقنية الجديدة وتحسينها.

“على مدار أكثر من قرن من الزمان، جاء التقدم في السبائك من خلال تغيير التركيب الكيميائي والمعالجة، مسترشدًا إلى حد كبير بالتجربة التجريبية والخطأ”. يقول يانيس فينتيكوس، عميد الهندسة في جامعة موناش، الذي لم يشارك بشكل مباشر في الدراسة.

“يشير هذا البحث إلى أنه يمكننا بالفعل هندسة كيفية تنظيم الذرات لنفسها، مما يخلق فرصًا لتطوير مواد ذات قدرات كانت بعيدة المنال في السابق.”

وقد تم نشر البحث في علوم.

تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة كلير واتسون وتم تحريره بواسطة بيتر دوكريل. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا لاحظت خطأً، يرجى اعلامنا.