چھوٹے نقائص کو بے نقاب کرنا جو مواد کو ناکام بناتے ہیں۔

مواد ہمارے اردگرد کی دنیا بناتا ہے۔ وہ ہمارے گھروں میں لکڑی، پلاسٹک اور سیرامکس سے لے کر عمارتوں اور پلوں کی تعمیر میں استعمال ہونے والی دھاتوں اور کنکریٹ تک ہر جگہ موجود ہیں۔ لیکن وقت گزرنے کے ساتھ، مواد کم ہو سکتا ہے، ان کی ساخت بدل جاتی ہے، وہ کم قابل اعتماد ہو جاتے ہیں۔ اور بعض اوقات وہ مکمل طور پر ناکام بھی ہو جاتے ہیں - تباہ کن نتائج کے ساتھ۔

اسٹیل جیسے انجینئرنگ مواد کے ساتھ ایک بڑا چیلنج اس بات کو یقینی بنانا ہے کہ وہ زیادہ سے زیادہ دیر تک قائم رہیں۔ اس کا مطلب ہے کہ "مادی کے انحطاط" کے عمل کا مقابلہ کرنے کے طریقے تلاش کرنا جیسے چکراتی دباؤ سے تھکاوٹ؛ رینگنا (سست اخترتی) اعلی درجہ حرارت پر مکینیکل تناؤ کی وجہ سے؛ ایک دوسرے کے خلاف رگڑنے والے اجزاء سے ٹوٹنا۔ اور ماحول میں کیمیکلز بشمول پانی، نمکیات اور جارحانہ گیسوں سے پیدا ہونے والی سنکنرن۔

انحطاط ٹھیک ٹھیک اس وقت تک بن سکتا ہے جب تک کہ پورا ڈھانچہ اچانک ناکام نہ ہو جائے۔

ان عملوں کے دوران مواد کی تبدیلی کے طریقے کو سمجھنا مشکل ہو سکتا ہے، کیونکہ بنیادی میکانزم اکثر جوہری سطح پر ہوتا ہے۔ انفرادی ایٹموں کی ہلکی ہلکی حرکت یا رد عمل انسانی حواس کے لیے ناقابل فہم ہوتے ہیں، لیکن جب اربوں یا کھربوں ایٹموں میں ضرب لگائی جاتی ہے تو وہ مواد میں ڈرامائی تبدیلیاں پیدا کرتے ہیں۔ یہ تبدیلیاں چھوٹی سطحوں پر برسوں تک ہو سکتی ہیں اس سے پہلے کہ کسی جزو میں نمایاں تبدیلی دیکھی جائے، اور انحطاط اس وقت تک ٹھیک ہو سکتا ہے جب تک کہ پورا ڈھانچہ اچانک ناکام نہ ہو جائے۔

نامکمل کرسٹل

بہت سے اہم مواد، جیسے دھاتیں، سلکان یا ہیرا، کرسٹل ہیں - ایٹموں کی انتہائی ترتیب شدہ دہرائی جانے والی اکائیاں۔ ان کی باقاعدہ جالیوں کی شکلیں بے شمار مفید خصوصیات پیدا کرسکتی ہیں، جیسے طاقت، حرارت کی چالکتا، برقی چالکتا اور نظری شفافیت۔ اگرچہ یہ خصوصیات ایپلی کیشنز کے لیے بہت اہم ہیں اور ایک کامل کرسٹل ڈھانچے کے ذریعے بہتر بنائی گئی ہیں، لیکن یہ کمال سے انحراف ہے جو مواد کے انحطاط میں کلیدی حیثیت رکھتی ہے۔

یہ "نقصان" کئی شکلیں لے سکتے ہیں، سب سے آسان صورت ایک غائب ایٹم - یا خالی جگہ - بار بار جالی میں (شکل 1). زیادہ پیچیدہ طویل فاصلے کے نقائص میں نقل مکانی شامل ہے، جہاں ایٹموں کی پوری لائنیں یا سرپل جگہ سے باہر ہو سکتے ہیں۔ اناج کی حدود بھی ہیں، جہاں مختلف زاویوں پر بننے والے کرسٹل کے علاقے آپس میں ملتے ہیں، جو ایٹموں کی ایک لکیر کو غلط جوڑ کے ساتھ چھوڑ سکتے ہیں۔ کسی مادے میں اضافی کیمیائی عناصر کی شمولیت اس کی ساخت کو مزید پیچیدہ بنا سکتی ہے۔ پریسیپیٹیٹس کے نام سے جانے والے نئے مراحل بن سکتے ہیں، اور جیسا کہ ان میں بلک کرسٹل کے مختلف ڈھانچے ہونے کا امکان ہے، وہ مختلف خصوصیات والے علاقوں کو متعارف کراتے ہیں۔

جب کوئی خرابی بیرونی اثرات کا تجربہ کرتی ہے، جیسے دباؤ کی قوت، درجہ حرارت میں تبدیلی یا یہاں تک کہ کیمیائی حملہ، تو بہت سے پیچیدہ اور دلچسپ تعاملات ہو سکتے ہیں۔ نقائص والے ایٹموں میں وہی بانڈ ڈھانچہ نہیں ہوتا ہے جیسا کہ مرکزی کرسٹل میں ہوتا ہے، اور مکمل طور پر غائب ہو سکتے ہیں۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ نقائص دباؤ کے تحت منتقل کرنے کے لئے آسان ہیں، اور نئے بانڈ بنانے کے لئے دوسرے کیمیائی عناصر کے ساتھ زیادہ آسانی سے رد عمل کر سکتے ہیں.

یہ سمجھنا کہ کس طرح ایک سادہ خرابی کسی ایک انحطاط کے طریقہ کار سے متاثر ہوتی ہے جیسے کہ بڑھتا ہوا تناؤ، درجہ حرارت یا کیمیائی رد عمل نسبتاً سیدھا ہو سکتا ہے۔ لیکن ایک پل، ہوائی جہاز، یا جوہری ری ایکٹر میں ایک جزو میں پیچیدہ ماحول میں اس طرح کے اربوں تعاملات ہوسکتے ہیں۔ یہ دریافت کرنا کہ کس طرح یہ انفرادی خوردبینی عمل ایک جزو میں پیچیدہ میکروسکوپک تبدیلیوں میں یکجا ہوتے ہیں، بہت مشکل ہے، لیکن جدید آلات اور نقطہ نظر اب مادی سائنسدانوں کو ان انحطاط کے مسائل کا نئے طریقوں سے مطالعہ کرنے کے قابل بنا رہے ہیں۔

خاص طور پر، تیز رفتار خوردبینوں کا اضافہ ہمیں جوہری پیمانے کے نقائص کو پہلے سے کہیں زیادہ تیزی سے اور بڑے علاقوں کی نشاندہی کرنے دیتا ہے۔ دریں اثنا، مشین لرننگ، امیج ریکگنیشن، اور ڈیٹا پروسیسنگ جیسی تکنیک کا مطلب ہے کہ ہم کر سکتے ہیں۔ بڑے ڈیٹاسیٹس کا مطالعہ کریں۔ ایک ساتھ مل کر، ہم نئی، جوہری سطح کی بصیرتیں حاصل کر رہے ہیں کہ مواد کس طرح انحطاط پذیر ہوتا ہے، جس کے نتیجے میں ہمیں بہتر پیشین گوئیاں کرنے کی اجازت ملتی ہے کہ مواد آخر کار کیسے ناکام ہو سکتا ہے۔

کشیدگی سنکنرن کریکنگ

ایک خاص طور پر پیچیدہ طریقہ جس میں مواد کی تنزلی ہوتی ہے وہ ہے "تناؤ سنکنرن کریکنگ" (SCC)۔ یہ دھاتوں میں اس وقت ہوتا ہے جب ایک حساس مواد کو سنکنرن ماحول میں زیادہ تناؤ کا سامنا کرنا پڑتا ہے، ان تین عوامل کے امتزاج کے ساتھ بالآخر اچانک اور غیر متوقع طور پر ٹوٹ پھوٹ کا باعث بنتا ہے۔ SCC دونوں اعلی درجہ حرارت پر ہو سکتا ہے - مثال کے طور پر، ہوائی جہاز کے انجنوں میں، اور جوہری ری ایکٹروں میں کولنٹ سرکٹس میں - اور کم درجہ حرارت، جیسے آف شور ونڈ یا آئل پلیٹ فارم کے ساتھ۔ یہ خاص طور پر عام ہے جہاں نمک موجود ہے، خاص طور پر خطرے میں سمندر میں مواد کو باہر ڈالتا ہے. آخری نتیجہ تباہ کن ناکامی ہو سکتا ہے - کشتیاں ڈوب جاتی ہیں، انجن فیل ہو جاتے ہیں، پل گر جاتے ہیں، اور گیس پائپ لائنیں پھٹ جاتی ہیں۔

ناکامی کے اس منفرد عمل کو مکمل طور پر سمجھنے کے لیے، ہمیں یہ جاننے کی ضرورت ہے کہ یہ کیسے شروع ہوتا ہے۔ تاہم، ایسا کرنا بہت مشکل ہے کیونکہ واقعہ بے ترتیب وقت پر ہوتا ہے، اور اگر کوئی شگاف پہلے ہی شروع ہو چکا ہے، تو اس عمل کی اصل ممکنہ طور پر پیدا ہونے والے نقصان سے پوشیدہ ہے۔

اس مسئلے سے نمٹنے کے لیے، ہماری ٹیم یونیورسٹی آف برسٹل کے is using multiple microscopy methods to watch cracks as they expand in real time. One method جو مائیکرو اسٹرکچرل سطح کی خصوصیات میں چھوٹے پیمانے پر تغیرات کا تجزیہ کرنے کے لیے خاص طور پر کارآمد ثابت ہوا ہے وہ ہے تیز رفتار ایٹمک فورس مائکروسکوپی (HS-AFM) (باکس دیکھیں)۔

HS-AFM SCC کے مطالعہ کے لیے مثالی ہے کیونکہ تجربات مائع میں ہو سکتے ہیں، اور انحطاط کو حقیقی وقت میں دیکھا جا سکتا ہے۔ اس لیے ہماری ٹیم نے ایک موڑنے والا اپریٹس ڈیزائن کیا ہے جو سنکنرن مائع ماحول میں تناؤ کے دباؤ کے تحت نمونہ رکھ سکتا ہے - اور اپنی نوعیت کا پہلا تجربہ کرنے کے قابل تھا (npj مواد کا انحطاط 5 3).

ہم نے جس مواد کا تجربہ کیا وہ سٹینلیس سٹیل کا ایک نمونہ تھا جس کا مائیکرو سٹرکچر کو SCC کے لیے زیادہ حساس بنانے کے لیے گرمی کا علاج کیا گیا تھا - گرمی اناج کے سائز اور پریسیپیٹیٹس کی موجودگی کو تبدیل کرتی ہے، اور یہ کیمیائی عناصر کو بھی ادھر ادھر لے جاتی ہے اور اناج کی حدود کو مزید کمزور بنا دیتی ہے۔ کیمیائی حملے کے لیے تناؤ کا تناؤ، یعنی تناؤ جو نمونے کو الگ کرنے کا کام کرتا ہے، تین نکاتی موڑ والی رگ (شکل 3) کے ذریعے اسٹیل پر لگایا گیا تھا۔ ایک ہی وقت میں، نمونہ 395 پی پی ایم سوڈیم تھیو سلفیٹ کے سنکنرن مائع ماحول میں رکھا گیا تھا، جو اکثر تیل اور گیس کی پائپ لائنوں میں پایا جاتا ہے۔

یہ حالات خاص طور پر جوہری ایپلی کیشنز کے اندر متعلقہ ہیں، اور انٹر گرانولر ایس سی سی کو دلانے کے لیے جانا جاتا ہے - جہاں شگاف اناج کی بجائے اناج کی حدود کے ساتھ بنتا ہے۔ ایس سی سی سے پہلے اور اس کے دوران عمل کا مشاہدہ کرنے کے لیے، HS-AFM کی پیمائش اس لیے مواد کی اناج کی حدود کے ساتھ مرکوز تھی۔

کچھ مہارت، کچھ قسمت، اور بہت سارے صبر کے ساتھ، ہم کارکردگی کا مظاہرہ کرنے کے قابل تھے سائٹ اور SCC کے حقیقی وقت کے مشاہدات

SCC کی کامیابی کے ساتھ تصویر بنانے کے لیے اکثر بہت سی کوششوں کی ضرورت ہوتی ہے، کیونکہ یہ پیش گوئی کرنے کا بہت کم طریقہ ہے کہ یہ شگاف کن اناج کی حدود سے شروع ہوگا اور یہ کس کے ساتھ آگے بڑھے گا۔ کچھ مہارت، کچھ قسمت، اور بہت سارے صبر کے ساتھ، ہم کارکردگی کا مظاہرہ کرنے کے قابل تھے سوستانی میں اور SCC کے حقیقی وقت کے مشاہدات جیسے کہ شگاف ایک دانے کی حد کے ساتھ بڑھتا ہے، جیسا کہ شکل 3 میں دکھایا گیا ہے۔ ہوائی جہاز میں محض الگ ہونے کے بجائے، شگاف کی وجہ سے ایک دانہ بھی اُٹھ گیا جیسے جیسے شگاف آگے بڑھتا ہے، ایک مونڈنے والی حرکت پیدا کرتا ہے۔ یہ سلوک ذیلی سطح کے شگاف کے پھیلاؤ کا نتیجہ پایا گیا ، جس سے نمونے کی سطح پر دانے کی حرکت ہوتی ہے۔

کریک پروپیگیشن کی ہائی ریزولوشن ٹوپوگرافک تصاویر لینے کی صلاحیت خاص طور پر مفید ہے، کیونکہ یہ SCC کے کمپیوٹیشنل ماڈلز کو بہتر بنانے میں مدد کرتا ہے۔ یہ معلومات طاقتور ہے - یہ جان کر کہ مواد کی ساخت کے کس حصے پر SCC نے حملہ کیا ہے، ہم حملے سے بچانے اور اجزاء کو زیادہ دیر تک چلنے کے لیے کوٹنگز اور نئے مواد کو ڈیزائن کرنے میں مدد کر سکتے ہیں۔ تاہم، تصویر نامکمل ہے، اور اکثر ہمیں کہانی کو ختم کرنے کے لیے تکمیلی تکنیکوں کی ضرورت ہوتی ہے۔

تکمیلی تجزیہ

سنکنرن کے عمل، جیسے SCC، پیچیدہ نظام ہیں جو جسمانی اور الیکٹرو کیمیکل دونوں تبدیلیوں پر مشتمل ہوتے ہیں۔ نئی تکنیکیں، جیسے HS-AFM، محققین کو اس طرح کے میکانزم میں اضافی بصیرت کو کھولنے کے قابل بناتی ہیں، لیکن کسی مواد کے رویے کی مکمل سمجھ حاصل کرنے کے لیے اکثر ایک تکنیک اپنے طور پر کافی نہیں ہوتی ہے۔ متعدد تکمیلی تکنیکوں کی ضرورت ہوتی ہے، جس سے سطح اور ذیلی سطح کے عمل، کیمیائی تبدیلیاں، اور مختلف لمبائی اور اوقات میں برقی سگنلز کی پیمائش کی جاسکتی ہے۔

ایسی بہت سی تکنیکیں ہیں جنہیں ایک ساتھ استعمال کیا جا سکتا ہے تاکہ کسی مواد کے بارے میں مختلف معلومات کو کھولا جا سکے (شکل 4)۔ مثال کے طور پر، سکیننگ الیکٹران مائیکروسکوپ (SEM) میں الیکٹران بیک سکیٹر ڈفریکشن (EBSD) یا ٹرانسمیشن الیکٹران مائکروسکوپ (TEM) میں ڈفریکشن ہمیں کسی مواد کے مختلف خطوں (یا اناج) کے اندر کرسٹل جالی کے رشتہ دار زاویوں کے بارے میں بتا سکتا ہے۔ 5)۔ یہ ایک شگاف پر مقامی دباؤ کے بارے میں بصیرت دیتا ہے، اور کیوں کسی مواد کا ایک خاص علاقہ پہلے حملہ کرنے کا خطرہ بن سکتا ہے۔

TEM اور SEM دونوں پر توانائی سے منتشر ایکس رے سپیکٹروسکوپی (EDX) جیسی تکنیکیں، نیز ایٹم پروب ٹوموگرافی (APT) نمونے کی بنیادی ساخت کے بارے میں معلومات فراہم کرتی ہیں، جو ان کیمیائی تبدیلیوں کے بارے میں سراغ فراہم کرتی ہیں جو سنکنرن رد عمل کے دوران رونما ہوتی ہیں۔ جگہ کیمیائی تجزیہ کے لیے الیکٹران سپیکٹروسکوپی کا استعمال کرتے ہوئے ایکس رے اور الٹرا وائلٹ فوٹو اخراج سپیکٹروسکوپی (NanoESCA) آلہ نمونے کی سطح پر مقامی الیکٹرانک ماحول کے بارے میں ناقابل یقین معلومات فراہم کر سکتا ہے۔ یہ ہمیں بتا سکتا ہے، مثال کے طور پر، اس بارے میں کہ کسی مادے کے مختلف خطوں میں الیکٹران کے ضائع ہونے کا کتنا امکان ہے، اور اس وجہ سے وہ سنکنرن کا زیادہ خطرہ کیوں ہو سکتے ہیں۔

مائکروسکوپی کی ان جدید تکنیکوں میں سے ہر ایک کی اپنی طاقتیں ہیں اور یہ ملی میٹر کے پیمانے سے لے کر انفرادی ایٹموں تک کسی مواد کی لمبائی کے مختلف پیمانے کے لیے معلومات دے سکتی ہے۔ تکنیکوں کے صحیح مرکب کا استعمال کرتے ہوئے، سائنس دان ساخت، کیمسٹری، مقامی تناؤ اور کیمیائی ماحول میں بے مثال بصیرت کو اکٹھا کر سکتے ہیں تاکہ ہم تفصیل کی نئی سطحوں پر ناکامی کی اصلیت کو کھول سکیں۔