يقوم العلماء بإنشاء معدن التيتانيوم العائم الذي لا يزال بإمكانه أن يطفو على الماء حتى لو تعرض لأضرار بالغة

الملخص:

لفترة طويلة، تم استخدام التيتانيوم على نطاق واسع في مجال الطيران والهندسة البحرية وغيرها من المجالات بسبب قوته العالية وخفة وزنه ومقاومته الممتازة للتآكل. ومع ذلك، نظرًا لأن التيتانيوم أكثر كثافة من الماء بأربع مرات، لم يربط الناس أبدًا هذا المعدن بـ "العائم". الآن، نجح فريق بحث في معهد ملبورن الملكي للتكنولوجيا في أستراليا (جامعة RMIT) في إنشاء هيكل من التيتانيوم يمكنه أن يطفو على الماء ويحقق الطفو على المدى الطويل مع الحفاظ على قوة عالية.

ما طوره فريق البحث هو هيكل جديد يسمى "مادة شبكية مفتوحة من البوليمر المعدني المزدهر". وعلى الرغم من أن كثافة التيتانيوم نفسه تبلغ حوالي 4.43 جرام لكل سنتيمتر مكعب، وهي أعلى بكثير من كثافة المياه العذبة، والتي تبلغ حوالي 1 جرام لكل سنتيمتر مكعب، إلا أن الباحثين غيروا هذه الخاصية من خلال تصميم هيكلي خاص.

من أجل تحقيق التأثير العائم، استخدم الباحثون تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد لبناء هيكل شبكي من سبائك التيتانيوم Ti-6Al-4V، وصمموا جميع عوارض الدعم التي تشكل الشبكة في هياكل مجوفة. ثم قاموا بملء الأجزاء الداخلية لهذه القنوات المجوفة برغوة البولي يوريثان خفيفة الوزن. لا يحتفظ الهيكل المركب الناتج بالخصائص الميكانيكية لمعدن التيتانيوم فحسب، بل يحقق أيضًا طفوًا مستقرًا.

خلال التجربة، وجد الباحثون أنه حتى لو تصدعت المادة، أو انكسرت أجزاء الاتصال، أو حتى تضرر جزء من الطبقة الشبكية ككل، فمن الممكن أن تظل طافية ولم تغرق في الماء.

يرجع السبب وراء السعي وراء المواد ذات القوة العالية والطفو إلى وجود الكثير من الاحتياجات العملية في مجال الهندسة البحرية. ولا ينبغي للعوامات، وأجهزة استشعار المراقبة البحرية، والمنصات البحرية، والبنية التحتية البحرية المختلفة أن تتحمل التأثير المستمر للأمواج فحسب، بل يجب أن تقاوم أيضًا تآكل مياه البحر وتستمر في الحفاظ على قدرتها على العمل على الرغم من الأضرار.

على الرغم من أن الفولاذ المقاوم للصدأ والمواد البلاستيكية عالية الكثافة المستخدمة حاليًا على نطاق واسع يمكن أن تلبي بعض الاحتياجات، إلا أنها لا تزال تعاني من قيود من حيث القوة والمتانة والموثوقية على المدى الطويل. تتمتع سبائك التيتانيوم نفسها بمقاومة ممتازة للتآكل ومقاومة التعب، لذلك تعتبر دائمًا مادة مثالية. ومع ذلك، فإن كثافته الطبيعية العالية تحد من تطبيقه في المنشآت العائمة.

وقال الباحثون إن الإنسان قديما اعتمد بشكل أساسي على طريقتين لحل مشكلة الطفو. الأول هو استخدام الهيكل المجوف للسفينة لتغليف كمية كبيرة من الهواء، والآخر هو إضافة مواد منخفضة الكثافة مثل الرغوة داخل المعدات لتوفير الطفو. إن ظهور الهياكل الشبكية المعدنية في السنوات الأخيرة يوفر أفكارًا جديدة لهذه المشكلة.

من خلال تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن استخدام كمية صغيرة فقط من المعدن لبناء هيكل شبكي ضخم، وبالتالي تحقيق نسبة قوة إلى وزن عالية للغاية. تبلغ الكثافة الإجمالية لبعض الشبكات المعدنية أقل من عُشر كثافة الماء. ومع ذلك، فإن مثل هذه الهياكل كانت منذ فترة طويلة غير عملية للاستخدام في البيئات البحرية لأن مسامها المفتوحة تمتلئ بسرعة بمياه البحر، مما يؤدي في النهاية إلى غرقها.

لقد أدى الإنجاز الذي حققه فريق البحث إلى حل هذه المشكلة. وبدلاً من إحاطة الشبكة بأكملها، قاموا ببساطة بملء الجزء الداخلي من عوارض دعم التيتانيوم المجوفة بالرغوة. وهذا لا يسمح لمياه البحر بالمرور بحرية عبر الهيكل الشبكي فحسب، بل يضمن أيضًا بقاء الطفو الإجمالي لفترة طويلة.

لتقييم قدرة هذه الهياكل على الطفو بشكل أكثر دقة، اقترح الباحثون أيضًا مقياسًا حسابيًا جديدًا - "كثافة الهيكل العظمي".

ستشمل حسابات الكثافة التقليدية جميع المساحات المفتوحة داخل الشبكة في نطاق الحجم، ولكن هذه المساحات ستشغلها المياه فعليًا ولن تساهم في الطفو. يحسب مفهوم الكثافة الهيكلية الجديد فقط الأجزاء التي يمكنها صد الماء حقًا، بما في ذلك جدران سبائك التيتانيوم والمناطق المليئة بالرغوة.

وفقًا لهذه النظرية، طالما أن كثافة الهيكل العظمي أقل من كثافة السائل المحيط به، فإن الهيكل بأكمله يظل قادرًا على الطفو بثبات حتى لو كان عدد كبير من الفتحات الخارجية يسمح بمرور الماء.

إن نتائج اختبار الأداء مثيرة للاهتمام أيضًا. وفي ظل نفس الكثافة الإجمالية، تكون قوة هذا الهيكل الجديد من التيتانيوم الطافي أعلى بحوالي 70% من قوة الفولاذ المقاوم للصدأ أو البولي إيثيلين عالي الكثافة المستخدم حاليًا على نطاق واسع في الهندسة البحرية.

أجرى فريق البحث أيضًا اختبارات مقاومة التآكل باستخدام مياه البحر الطبيعية من بورت فيليب، ملبورن. وأظهرت النتائج أنه بعد نقع العينة في مياه البحر لمدة أسبوعين، فقدت حوالي 0.15% فقط من كتلتها، بينما انخفضت قوتها بأقل من 1%، مما يدل على قدرة ممتازة على التكيف مع البيئة البحرية.

بالإضافة إلى ذلك، طفت العينات التجريبية بشكل مستمر في المياه العذبة لأكثر من شهرين وظلت مستقرة لفترة طويلة. ويعتقد الباحثون أن هذا يثبت أن الهيكل ليس لديه قدرات عائمة نظرية فحسب، بل لديه أيضًا إمكانية للتطبيقات الهندسية العملية.

ذكر فريق البحث أن هذه هي المرة الأولى في العالم التي يتم فيها التوصل إلى مادة شبكية معدنية مختلطة يمكن أن تطفو لفترة طويلة. وفي المستقبل، من المتوقع أن يتم تطبيق هذه التكنولوجيا على العوامات البحرية، ومعدات مراقبة المحيطات، ومنشآت الطاقة البحرية وأنواع مختلفة من البنية التحتية المنتشرة في البيئة البحرية لفترة طويلة.

مع استمرار تطور تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد وهندسة المواد المتقدمة، من المتوقع أن يفتح هذا النوع الجديد من "التيتانيوم العائم" الذي يجمع بين القوة العالية ومقاومة التآكل والطفو المستدام، إمكانيات جديدة لتصميم هندسة المحيطات في المستقبل.