الملخص:
وجد فريق بحث دولي أن اثنين من السبائك التجريبية القائمة على النيوبيوم والتيتانيوم لا يزال بإمكانهما الحفاظ على مقاومة عالية للغاية للتشقق في بيئات شديدة الانخفاض في درجات الحرارة تقترب من الصفر المطلق. يكسر هذا الاكتشاف الفهم الطويل الأمد لتقصف المعادن عند درجات الحرارة المنخفضة في مجال علوم المواد ويفتح اتجاهًا جديدًا لتطوير مواد أكثر موثوقية لأجهزة طاقة الاندماج المستقبلية ومعدات الحوسبة الكمومية والمركبات الفضائية والبنية التحتية للطاقة الهيدروجينية.
تصبح معظم المعادن أقوى مع انخفاض درجات الحرارة، ولكنها تصبح أيضًا أكثر عرضة للكسر. وينطبق هذا بشكل خاص على المعادن ذات البنية المكعبة التي تتمحور حول الجسم مثل الحديد والتنغستن والكروم. عندما تنخفض درجات الحرارة إلى مستويات منخفضة للغاية، فإن الضغوط التي يمكن امتصاصها من خلال الانحناء أو التشوه غالبًا ما تتحول إلى كسور مفاجئة.
السبب المهم لهذه الظاهرة هو أن نشاط التفكك داخل المعدن مقيد. الاضطرابات هي عيوب خطية في الهياكل البلورية تساعد المعادن على التشوه اللدن عند تعرضها لقوى خارجية. ومع ذلك، مع استمرار انخفاض درجة الحرارة، تصبح هذه الخلوعات أكثر صعوبة في التحرك، مما يؤدي إلى فقدان المادة قدرتها على تخفيف الضغط وتصبح أكثر هشاشة.
وجد فريق بحث بقيادة مشتركة من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، ومختبر لورانس بيركلي الوطني، وجامعة أكسفورد في المملكة المتحدة أن اثنين من السبائك التجريبية القائمة على النيوبيوم والتيتانيوم يمكن أن تتجنب هذه المشكلة. حتى في بيئة تبلغ درجة حرارتها 20 كلفن، أي حوالي 253 درجة مئوية تحت الصفر (424 درجة فهرنهايت تحت الصفر)، فإنها لا تزال تظهر مقاومة قوية للتشقق، ولا يوجد انتقال هش يمكن قياسه عند أدنى درجة حرارة تم اختبارها تجريبيًا.
لدراسة سلوك هذه المواد عند درجات حرارة منخفضة للغاية، أجرى العلماء تجارب باستخدام منشأة Engin-X في ISIS Neutron and Muon Source في أوكسفوردشاير بالمملكة المتحدة. استخدموا الهيليوم لتبريد العينة إلى حوالي 253 درجة مئوية تحت الصفر، ثم أجروا اختبارات شد ثنائية المحور على العينة تحت إشعاع شعاع النيوترونات لقياس الحمل الذي يمكن أن تتحمله المادة بدقة ومدى تمددها قبل أن تنكسر.
كشفت المزيد من الملاحظات بالمجهر الإلكتروني عن سر صلابة المادة. ووجد الباحثون أن تغيرًا هيكليًا يسمى "التوائم النانوية" يحدث بالقرب من الشقوق وداخل السبيكة. خلال هذه العملية، يتم إعادة ترتيب المناطق المحلية من البلورة لتشكل بنية مرآة متماثلة، مصحوبة بتحول محلي للبنية البلورية.
عندما تتصل هذه الهياكل المشكلة حديثًا بحدود الحبوب المجاورة، فإنها ستولد مناطق محلية عالية الضغط وتحفز أيضًا توليد عيوب بلورية جديدة. ويمكن أن تستمر العيوب الجديدة في القيام بمهمة التشوه اللدن، بحيث تستمر المادة في التشوه عند تعرضها للإجهاد بدلا من التشقق المباشر.
وشبه الباحثون هذه الآلية باستجابة شبكة الطرق لحالات الطوارئ أثناء عاصفة ثلجية. عندما يتم حظر الطرق الحالية بسبب الجليد والثلوج، سيفتح نظام النقل طرقًا جديدة. وبالمثل، عندما يتم تقييد حركة التفكك التقليدية عند درجات حرارة منخفضة للغاية، فإن تكوين التوأم النانوي يخلق قنوات تشوه جديدة تحافظ على صلابة المادة.
ذكر فريق البحث أن هذه الآلية المجهرية التي لم تحظى بالتقدير سابقًا تكشف عن طريقة جديدة لمقاومة التقصف الناتج عن درجات الحرارة المنخفضة. في الماضي، كان المجتمع الهندسي يعتقد دائمًا أن المعادن المكعبة المتمركزة حول الجسم يصعب تجنب التقصف عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية. ومع ذلك، تظهر هذه الدراسة أنه من خلال التصميم العقلاني لتركيبة السبائك والبنية المجهرية، يمكن للمادة تبديل أوضاع التشوه بشكل فعال والاستمرار في امتصاص الضغط وتشتيته.
ويعتقد الباحثون أن هذا الاكتشاف من المتوقع أن يعزز تطوير جيل جديد من المواد الهندسية منخفضة الحرارة في المستقبل. في مفاعلات الاندماج النووي، وأنظمة تخزين ونقل الهيدروجين السائل، وأجهزة الكشف عن الفضاء السحيق، ومعدات تكنولوجيا الكم، تحتاج العديد من المكونات الرئيسية إلى العمل في درجات حرارة منخفضة للغاية لفترة طويلة. المواد التي يمكن أن تجمع بين القوة العالية والمتانة ستعمل بشكل كبير على تحسين موثوقية وسلامة أنظمة التكنولوجيا المتقدمة هذه.
تم نشر نتائج الأبحاث ذات الصلة في المجلة الأكاديمية الدولية "Nature". وقال فريق البحث إن الخطوة التالية ستكون استكشاف ما إذا كان من الممكن توسيع هذه الآلية لتشمل المزيد من الأنظمة المعدنية وتصميم سبائك هندسية جديدة مناسبة لبيئات أكثر قسوة.
التعليقات