دراسة من جامعة ولاية أوهايو: عيوب بلورية مهندسة تعزز قوة سبيكتين دون تغيير تركيبهما الكيميائي

أفاد فريق بقيادة باحثين من جامعة ولاية أوهايو بأن عيوباً بلورية أُدخلت عمداً ورُتبت في شبكات كثيفة منتظمة جعلت سبيكتين معدنيتين أقوى مع إبقاء تركيبهما الكيميائي دون تغيير. نُشرت الدراسة المحكّمة في مجلة Science هذا الأسبوع وفقاً لبيان صحفي جامعي. يضم المؤلفون المشاركون باحثين من جامعة إرلانغن-نورنبرغ في ألمانيا ومختبر لورنس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا.

تتكون الطريقة من خطوتين. شوّه الباحثون أولاً بلورات مادتين أساسهما الكوبالت، سبيكة فائقة تحتوي على النيكل وسبيكة كروم-تنغستن، ثم عتّقوا المادة ببطء بالحرارة. يقول البيان إن ذلك أنتج سمات كثيفة رقيقة ذرياً داخل البنية. يصف عنوان الورقة البحثية، كما نقله موقع TechXplore، هذه السمات بأنها أطوار عيوب ثنائية الأبعاد منتظمة. باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ إلى جانب المحاكاة الحاسوبية، ربط الفريق الزيادة في المتانة بطريقة ترتيب الذرات حول هذه العيوب، ويقول البيان إن تغيير هذا الترتيب يمكن أن يؤثر في قوة المادة.

وفقاً للبيان، رفعت العملية بشكل ملحوظ كلاً من الإجهاد الذي تتحمله المعادن ومقاومتها للتشوه البطيء أو الزحف عند درجات حرارة عالية. قال المؤلف الرئيسي أندرياس بيتسولد، الأستاذ المساعد المنتسب في علوم وهندسة المواد بجامعة ولاية أوهايو، إن النتائج تشير إلى أن طبقة من العيوب المهندسة يمكن أن تكمّل تصميم المواد التقليدي. وقال: «أردنا أن نجعل هذه البنى المعزِّزة جزءاً مقصوداً من تصميم المادة». يبني العمل على بحث سابق لجامعة ولاية أوهايو أظهر أن العيوب المتكونة أثناء التشوه يمكن أن تصبح طبقات معزِّزة؛ ويصف البيان النهج الجديد بأنه الأول الذي يُدخل كثافات عيوب تُثري هذه السبائك بالكامل.

قال المؤلف المشارك مايكل ميلز، أستاذ علوم وهندسة المواد بجامعة ولاية أوهايو، إنه رغم أن العيوب عادة ما ترتبط بالضرر، فإن «العيوب المناسبة ذات البنية والكيمياء المناسبتين يمكن أن تجعل المادة أقوى فعلاً». يشير البيان إلى أن النهج يمكن أن يُستخدم في نهاية المطاف لإنتاج سبائك عالية المتانة للمعدات المعرضة لدرجات حرارة عالية، مذكراً محركات التوربينات في الطائرات وآلات محطات الطاقة كأمثلة، لكنه يطرح ذلك كاحتمال مستقبلي. يقول البيان حالياً إن مساهمة الفريق تتمثل في توسيع مبادئ التصميم في الهندسة.

تستند النتائج إلى دراسة محكّمة واحدة على سبيكتين محددتين. لم يذكر البيان تجارب صناعية أو اختبارات مكونات أو أرقام قوة كمية، ولم يحدد جدولاً زمنياً للاستخدام العملي. جاء التمويل من وزارة الطاقة الأمريكية ومؤسسة العلوم الوطنية، مع دعم إضافي من مؤسسة ألكسندر فون هومبولت ومركز الفحص المجهري الإلكتروني والتحليل بجامعة ولاية أوهايو.