علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Cracked Piece of Metal Self-Healed in Experiment That Stunned Scientists
(David Nield – بقلم: ديفيد نيلد)
في إحدى التجارب، لاحظ العلماء معدنًا يلتئم ذاتيًا. وإذا كان من الممكن فهم هذه العملية والتحكم فيها بشكل كامل، فقد نكون في بداية عصر جديد تمامًا من الهندسة.
وفي دراسة نُشرت العام الماضي، كان فريق من مختبرات سانديا الوطنية[1] وجامعة “تكساس إيه آند إم” يختبر مرونة المعدن، باستخدام تقنية المجهر الإلكتروني النافذ المتخصصة لسحب أطراف المعدن 200 مرة في الثانية. ثم لاحظوا الإلتآم الذاتي على نطاقات صغيرة للغاية في قطعة من البلاتين بسمك 40 نانومتر معلقة في الفراغ.
والشقوق الناجمة عن نوع الإجهاد الموصوف أعلاه تُعرف باسم تلف التعب: الإجهاد المتكرر والحركة التي تسبب كسورًا مجهرية، مما يتسبب في النهاية في كسر الآلات أو الهياكل. ومن المدهش أنه بعد حوالي 40 دقيقة من المراقبة، بدأ الشق في البلاتين في الاندماج مرة أخرى وإصلاح نفسه قبل أن يبدأ مرة أخرى في اتجاه مختلف.
“كان من المذهل حقًا أن نشاهد ذلك عن كثب”، هكذا قال عالم المواد الدكتور براد بويس من مختبرات سانديا الوطنية عندما تم الإعلان عن النتائج. وتابع: “بالتأكيد لم نكن نبحث عن ذلك. ما أكدناه هو أن المعادن لديها قدرتها الطبيعية على إلتآم بنفسها (شفاء نفسها)، على الأقل في حالة تلف التعب على المستوى النانوي”.
وهذه هي الظروف الدقيقة، ولا نعرف حتى الآن بالضبط كيف يحدث هذا أو كيف يمكننا استخدامه. ومع ذلك، إذا فكرت في التكاليف والجهد المطلوب لإصلاح كل شيء من الجسور إلى المحركات إلى الهواتف، فلا يوجد ما يخبرنا بمدى الفارق الذي يمكن أن تحدثه المعادن ذاتية الشفاء.
وفي حين أن الملاحظة غير مسبوقة، إلا أنها ليست غير متوقعة تمامًا. ففي عام 2013، عمل عالم المواد بجامعة “تكساس إيه آند إم” البروفيسور مايكل ديمكوفيتش على دراسة تنبأت بإمكانية حدوث هذا النوع من التئام الشقوق النانوية، مدفوعًا بالحبيبات البلورية الصغيرة داخل المعادن التي تحرك حدودها بشكل أساسي استجابة للإجهاد. كما عمل البروفيسور ديمكوفيتش على هذه الدراسة، مستخدمًا نماذج كمبيوترية محدثة لإظهار أن نظرياته التي استمرت لعقد من الزمان حول سلوك الإلتآم الذاتي للمعادن على المستوى النانوي تتطابق مع ما كان يحدث هنا.
إن حدوث عملية الإصلاح التلقائي في درجة حرارة الغرفة هو جانب واعد آخر من جوانب البحث. وعادة ما يتطلب المعدن قدرًا كبيرًا من الحرارة لتغيير شكله، لكن التجربة أجريت في فراغ؛ ويبقى أن نرى ما إذا كانت نفس العملية ستحدث في المعادن التقليدية في بيئة نموذجية.
ويتضمن التفسير المحتمل عملية تُعرف باسم اللحام البارد[2]، والتي تحدث في درجات حرارة محيطة كلما اقتربت أسطح المعادن من بعضها البعض بما يكفي لتشابك ذراتها معًا. وعادةً، تتداخل طبقات رقيقة من الهواء أو الملوثات مع العملية؛ في بيئات مثل فراغ الفضاء، يمكن إجبار المعادن النقية على الاقتراب من بعضها البعض بما يكفي للالتصاق حرفيًا.
وقال البروفيسور ديمكوفيتش: “آمل أن يشجع هذا الاكتشاف باحثي المواد على التفكير في أنه في ظل الظروف المناسبة، يمكن للمواد أن تفعل أشياء لم نتوقعها أبدًا”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
الهوامش:
[1] يتم تشغيل وإدارة مختبرات ساندي الوطنية بواسطة شركة الحلول الوطنية للتكنولوجيا والهندسة في ساندي، ذ.م.م، وهي شركة تابعة مملوكة بالكامل لشركة هونيويل إنترناشيونال. تدير شركة الحلول الوطنية للتكنولوجيا والهندسة في ساندي مختبرات ساندي الوطنية كمتعاقد مع إدارة الأمن النووي الوطني التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية (NNSA) وتدعم العديد من الوكالات والشركات والمنظمات الحكومية الفيدرالية والولائية والمحلية. المصدر: https://www.sandia.gov/about/ [2] اللحام البارد هو عملية لحام في الحالة الصلبة، ولا تتطلب أي إدخال للحرارة لربط قطع المعدن معًا، ويبقى المعدن في الطور الصلب، ولا يذوب في أي وقت. وبدلاً من ذلك، يتم تطبيق الطاقة اللازمة لربط المعدن في شكل ضغط. وعلى عكس اللحام بالاندماج، مثل اللحام القوسي واللحام بالاحتكاك، لا يحتوي اللحام البارد على طور معدني منصهر أو سائل، ولهذا السبب يشار إليه باللحام البارد. ويعمل الضغط المطبق على تقريب أسطح قطع العمل من بعضها البعض قدر الإمكان. بمجرد الضغط عليها معًا، تصبح المسافة النانوية غير ذات صلة، وتقفز ذرات المعدن من قطعة إلى أخرى. ويؤدي هذا إلى رابطة شبه مثالية بدون ارتدادات تقريبًا، وتصبح القطعتان المنفصلتان من المعدن كتلة متجانسة. ولتحقيق ذلك، تحتاج إلى تنظيف كامل للأسطح المعدنية، حيث يحتوي كل معدن على طبقات أكسيد يجب إزالتها قبل محاولة اللحام البارد. ويستخدم اللحام البارد من قبل العديد من الصناعات، بما في ذلك صناعة الطيران والسيارات والإلكترونيات والإنتاج، ويتم استخدامه بشكل شائع عند لحام الأسلاك معًا، وخاصة المعادن غير المتشابهة. واللحام البارد مثالي أيضًا عند وضع الأسلاك تحت الأرض عندما يكون هناك خطر اشتعال الغازات القابلة للاشتعال من عملية اللحام التي تسبب الحرارة. المصدر: Cold Welding Explained: What is it? How It Works