علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
10x Stronger Than Kevlar: Amorphous Silicon Carbide Could Revolutionize Material Science
(DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – بواسطة: جامعة ديلفت للتقنية بهولندا)
ملخص المقالة:
قام علماء جامعة دلفت للتقنية بتطوير كربيد السيليكون غير المتبلور، وهو مادة قوية وقابلة للتطوير مع استخدامات محتملة في أجهزة استشعار الرقائق الدقيقة، والخلايا الشمسية، واستكشاف الفضاء. ويعد هذا الإنجاز بإحراز تقدم كبير في علوم المواد وتقنية الرقائق الدقيقة. وتنافس هذه المادة قوة الماس والجرافين وتتميز بحدة خضوع أكبر بعشر مرات من مادة الكيفلار، المشهورة باستخدامها في السترات الواقية من الرصاص.
( المقالة )
مادة لا تنافس قوة الماس والجرافين فحسب، بل تتميز بحدة خضوع (yield strength)[2] أكبر بعشر مرات من مادة الكيفلار، المشهورة باستخدامها في السترات الواقية من الرصاص.
كشف الباحثون في جامعة دلفت للتقنية، بقيادة البروفيسور ريتشارد نورتي [استاذ مساعد]، عن مادة جديدة رائعة لديها القدرة على التأثير على عالم علوم المواد: كربيد السيليكون غير المتبلور (Amorphous Silicon Carbide (a-SiC)).
وبالإضافة إلى قوتها الاستثنائية، تُظهر هذه المادة خواصًا ميكانيكية حاسمة لعزل الاهتزازات على الرقاقة الدقيقة. ولذلك فإن كربيد السيليكون غير المتبلور مناسب بشكل خاص لصنع مستشعرات الرقائق الدقيقة فائقة الحساسية.
ونطاق التطبيقات المحتملة [لهذه المادة] واسع من أجهزة استشعار الرقائق الدقيقة فائقة الحساسية والخلايا الشمسية المتقدمة وصولاً إلى التقنيات الرائدة في استكشاف الفضاء وتسلسل الحمض النووي. إن مزايا قوة هذه المادة بالإضافة إلى قابليتها للتوسع تجعلها واعدة بشكل استثنائي.
عشر سيارات متوسطة الحجم
“من أجل فهم أفضل للخاصية الحاسمة لـ “غير المتبلور”، فكر في معظم المواد على أنها مكونة من ذرات مرتبة في نمط منتظم، مثل برج “ليغو” (LEGO)[3] المبني بشكل معقد”، يوضح البروفيسور نورتي. ويضيف: “تسمى هذه المواد “بلورية”، مثل الماس على سبيل المثال. فهي تحتوي على ذرات كربون مصطفة بشكل مثالي، مما يساهم في صلابتها الشهيرة”.
ومع ذلك، فإن المواد غير المتبلورة تشبه مجموعة مكعبات الـ”ليغو” المكدسة بشكل عشوائي، حيث تفتقر الذرات إلى ترتيب ثابت. ولكن على عكس التوقعات، فإن هذه العشوائية لا تؤدي إلى هشاشة. وفي الواقع، فإن كربيد السيليكون غير المتبلور هو شهادة على القوة الناشئة عن مثل هذه العشوائية.
وتبلغ قوة الشد لهذه المادة الجديدة 10 غيغا باسكال (GPa). ويقول البروفيسور نورتي: “لفهم ما يعنيه هذا، تخيل أنك تحاول تمديد قطعة من الشريط اللاصق حتى تنكسر. ويضيف: “الآن، إذا كنت ترغب في محاكاة إجهاد الشد الذي يعادل 10 غيغا باسكال، فستحتاج إلى تعليق حوالي عشر سيارات متوسطة الحجم من طرف إلى طرف على هذا الشريط قبل أن ينكسر”.
أوتار نانوية
اعتمد الباحثون طريقة مبتكرة لاختبار قوة الشد لهذه المادة. فبدلاً من الأساليب التقليدية التي قد تؤدي إلى عدم الدقة في الطريقة التي يتم بها تثبيت المادة، تحولوا إلى تقنية الرقائق الدقيقة. ومن خلال زراعة أفلام كربيد السيليكون غير المتبلور على ركيزة من السيليكون وتعليقها، استفادوا من هندسة الأوتار النانوية لتحفيز قوى الشد العالية. ومن خلال تصنيع العديد من هذه الهياكل بقوى شد متزايدة، لاحظوا بدقة نقطة الكسر. ولا يضمن هذا النهج القائم على الرقائق الدقيقة دقة غير مسبوقة فحسب، بل يمهد الطريق أيضًا لاختبار المواد في المستقبل.
لماذا التركيز على الأوتار النانوية؟ “إن الأوتار النانوية هي لبنات بناء أساسية، وهي الأساس الذي يمكن استخدامه لبناء هياكل معلقة أكثر تعقيدًا. إن إظهار قوة إنتاجية عالية في سلسلة نانوية يُترجم إلى عرض القوة في شكلها الأكثر عنصرية [أي نسبة الى عنصر (element)]”.
من مجهري إلى دقيق
إن ما يميز هذه المادة في النهاية هو قابليتها للتوسع [قابلية التوسع: القدرة على التغيير في الحجم أو المستوى]. فالجرافين، وهو طبقة واحدة من ذرات الكربون، معروف بقوته المثيرة للإعجاب ولكن من الصعب إنتاجه بكميات كبيرة. والماس، على الرغم من قوته الهائلة، إما نادر في الطبيعة أو مكلف في تصنيعه. ومن ناحية أخرى، يمكن إنتاج كربيد السيليكون غير المتبلور على مقاييس الرقاقات، مما يوفر صفائح كبيرة من هذه المادة القوية بشكل لا يصدق.
ويخلص البروفيسور نورتي إلى أنه “مع ظهور كربيد السيليكون غير المتبلور، فإننا نقف على عتبة أبحاث الرقائق الدقيقة المليئة بالإمكانيات التقنية”.
*تمت الترجمة بتصرف
المرجع: “High-Strength Amorphous Silicon Carbide for Nanomechanics” by Minxing Xu, Dongil Shin, Paolo M. Sberna, Roald van der Kolk, Andrea Cupertino, Miguel A. Bessa and Richard A. Norte, 12 October 2023, Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.202306513
المصدر:
الهوامش:
[1] الكيفلار هو نوع من ألياف الأراميد. إنه منسوج في مواد نسجية الغزل والنسيج مواد نسجية وهو قوي للغاية وخفيف الوزن، مع مقاومة للتآكل والحرارة. يتم استخدامه في تطبيقات واسعة مثل هندسة الطيران (مثل جسم الطائرة)، والدروع الواقية للبدن، والسترات المضادة للرصاص، ومكابح السيارات، والقوارب. وعادة ما يتم تحويلها إلى مركبات. يمكن أيضًا دمج الكيفلار مع ألياف أخرى لإنتاج مركبات هجينة. المصدر: https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/kevlar [2] حد خضوع أو حد مرونة (بالإنجليزية: Yield strength) في الفيزياء والهندسة الميكانيكية هو أحد خواص المادة الصلبة، وهو يعطي مقدار الإجهاد الميكانيكي الذي تتحمله مادة عند شدها من جهتين من دون أن يتغير شكلها بعد زوال الإجهاد. حتى ذلك الحد من الإجهاد تعود قطعة المادة (حديد، أو نحاس، أو سبيكة، أو بلاستيك) إلى شكلها الابتدائي بعد زوال الشد الموثر، وتوصف في تلك المنطقة من قوة الشد بأنها لينة أو مرنة. ويكيبيديا [3] برج “ليغو” (LEGO Tower) هي لعبة محمولة تم تطويرها بواسطة “نيمبليبيت” (Nimblebit) لأجهزة آي اس او (iOS) واندرويد (Android) حيث تقوم ببناء وإدارة برج لشخصيات “ليغو” (LEGO) الصغيرة للعيش والعمل فيه. تأخذ اللعبة الآليات الأساسية لبرج “نيمبليبيت” الصغير (Nimblebit’s Tiny Tower) وتنقلها إلى عالم “ليغو”. تم إصداره اللعبة [التطبيق] رسميًا في 1 يوليو 2019. المصدر: https://lego.towerwiki.com/wiki/Main_Page