عندما يمر الفولاذ والألمنيوم والمعادن أو السبائك الأخرى المستخدمة على نطاق واسع عبر العمليات الصناعية مثل التصنيع والدرفلة والتزوير ، فإن هيكلها النانوي يخضع لتغييرات جذرية. تجعل عمليات الإنتاج السريعة للغاية من الصعب تحليل هذه التغييرات بسبب السرعة الهائلة والنطاق الصغير الذي تحدث به ، لكن الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في الولايات المتحدة نجحوا الآن في القيام بذلك بالضبط ، وتحديد ما يحدث عندما تتشكل حبيبات الكريستال في المعدن تحت تشوه شديد في المقياس النانوي. يمكن أن يساعد عملهم في تطوير الهياكل المعدنية ذات الخصائص المحسنة ، مثل الصلابة والمتانة.
بشكل عام ، كلما كانت هذه الحبيبات البلورية أصغر ، كان المعدن أقوى وأقوى. غالبًا ما يسعى علماء المعادن إلى تقليص حجم الحبوب عن طريق وضع المعادن تحت الضغط. إحدى التقنيات الرئيسية التي يستخدمونها للقيام بذلك هي إعادة التبلور ، حيث يتم تشويه المعدن عند الضغط العالي وتسخينه لإنتاج بلورات أدق. في الحالات القصوى ، يمكن أن تنتج هذه العملية حبيبات ذات أبعاد نانوية.
"ليس مجرد فضول معمل"
لقد حدد فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بقيادة كريستوفر شوه الآن كيفية حدوث هذه العملية عالية السرعة على نطاق صغير. لقد فعلوا ذلك باستخدام الليزر لإطلاق جزيئات نحاسية دقيقة على معدن بسرعات تفوق سرعة الصوت ومراقبة ما حدث عندما اصطدمت الجسيمات به. يشير شوه إلى أن مثل هذه السرعات العالية "ليست مجرد فضول معمل" ، مع العمليات الصناعية مثل الآلات عالية السرعة ؛ طحن مسحوق معدني عالي الطاقة ؛ وطريقة طلاء تسمى الرش البارد تحدث جميعها بمعدلات مماثلة.
ويوضح قائلاً: "لقد حاولنا فهم عملية إعادة التبلور تلك في ظل تلك المعدلات المتطرفة للغاية". "نظرًا لأن المعدلات مرتفعة جدًا ، لم يتمكن أحد حقًا من البحث هناك والنظر بشكل منهجي إلى هذه العملية من قبل."
في تجاربهم ، قام الباحثون بتغيير سرعة وقوة التأثيرات ثم درسوا المواقع المتأثرة باستخدام طرق الفحص المجهري النانوي المتقدمة مثل حيود الإلكترون المرتد والمسح المجهري الإلكتروني للإرسال. سمح لهم هذا النهج بتحليل آثار زيادة مستويات الإجهاد.
ووجدوا أن التأثيرات تحسن بشكل كبير بنية المعدن ، مما ينتج حبيبات بلورية يبلغ عرضها نانومترًا فقط. كما لاحظوا أيضًا عملية إعادة التبلور التي ساعدتها عملية "التوأمة النانوية" - وهو اختلاف في ظاهرة معروفة جيدًا في المعادن تسمى التوأمة ، حيث يتشكل نوع معين من العيب عندما يقلب جزء من التركيب البلوري اتجاهه.
لاحظ شوه وزملاؤه أنه كلما زادت معدلات التأثير ، زاد تكرار حدوث التزاوج بالنانو. وهذا يؤدي إلى صغر حجم الحبيبات حيث يتفكك "التوأم" النانوي إلى حبيبات بلورية جديدة ، كما يقولون. يمكن أن تزيد هذه العملية من قوة المعدن بنحو 10 أضعاف ، وهو ما يصفه شوه بأنه غير مهمل.
فهم آلي أفضل
يصف Schuh نتيجة الفريق بأنها امتداد لتأثير معروف يسمى التصلب الذي يأتي من ضربات المطرقة في تزوير المعادن العادية. يقول: "تأثيرنا هو نوع من التزوير المفرط لظاهرة". يقول شوه إنه على الرغم من أن النتيجة منطقية في هذا السياق عالم الفيزياء أنه يمكن أن يؤدي إلى فهم ميكانيكي أفضل لكيفية تشكل الهياكل المعدنية ، مما يسهل على المهندسين تصميم ظروف المعالجة للتحكم في هذه الهياكل. يقول: "الهياكل النانوية الصغيرة جدًا التي لاحظناها في عملنا مهمة لقوتها القصوى ، على سبيل المثال".
لماذا تفعل ذلك تدريجياً لتعظيم القوة
حسب عضو الفريق احمد تياميو، يمكن تطبيق النتائج الجديدة مباشرة على إنتاج المعادن في العالم الحقيقي. يقول: "يجب أن تكون الرسوم البيانية الناتجة عن العمل التجريبي قابلة للتطبيق بشكل عام". "إنها ليست مجرد خطوط افتراضية."
في الدراسة التي تم نشرها في مواد الطبيعة، ركز الباحثون على فهم تطور بنية المعدن أثناء الاصطدام. سيكون من المثير للاهتمام دراسة الخصائص الأخرى ، مثل كيفية تطور درجة الحرارة حول موقع التأثير ، كما يقولون. يكشف شو "نحن ندير العمل في هذا الاتجاه الآن".
