الماس‌ها دیگر شکننده نیستند!

به گزارش مجله خبری نگار،می‌توان گفت الماس‌ها ابدی‌اند؛ دست‌کم از نظر زمین‌شناسی. الماس به عنوان سخت‌ترین کانی طبیعی روی زمین، به لطف شبکه فشرده اتم‌های کربن خود در برابر گذر زمان و همچنین فرسایش طبیعی یا شیمیایی مقاومت می‌کند. برآورد‌ها نشان می‌دهد که در دمای اتاق، تبدیل طبیعی الماس به گرافیت که هر دو شکل‌هایی از کربن خالص هستند، زمانی طولانی‌تر از عمر تخمینی جهان نیاز دارد.

به نقل از پاپ مک، با این حال، این به معنای تخریب‌ناپذیر بودن الماس نیست؛ زیرا الماس با وجود سختی فوق‌العاده زیاد، نسبتا شکننده است. الماس در ساختاری مکعبی یا چهاروجهی شکل می‌گیرد و اگرچه این آرایش اتمی باعث سختی آن می‌شود، در امتداد صفحات مکعبی نقاط ضعفی نیز وجود دارد که ماده را در برابر ضربه‌های ناگهانی آسیب‌پذیر می‌کند. برای مثال، اگر با چکش به یک الماس ضربه بزنید، احتمالا به چند تکه خرد می‌شود.

اما بر اساس مطالعه‌ای جدید، دانشمندان آکادمی علوم چین و دانشگاه بیهانگ راهی برای تقویت الماس پیدا کرده‌اند که می‌تواند هم سختی و هم مقاومت آن در برابر شکست را افزایش دهد. ماده جدیدی که پژوهشگران ساخته‌اند، حتی از آلیاژ‌های تنگستن نیز چقرمگی بیشتری دارد؛ موادی که در سخت‌ترین شرایط، از جمله کوره‌های بسیار داغ راکتور‌های همجوشی هسته‌ای، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

برای ساخت این «الماس ابرمقاوم»، دانشمندان از موادی موسوم به نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWCNT) استفاده کردند. این نانولوله‌ها در میان دانه‌های الماس بافته شدند و ساختاری ناهمگن ایجاد کردند که در آن، شبکه نانولوله‌های کربنی عملا نقاط ضعف موجود در صفحات مکعبی الماس را مانند بخیه‌ای برای ترمیم ترک‌ها به هم متصل می‌کرد.

این نانولوله‌های کربنی در واقع نوعی «بند» یا رشته در ابعاد میکروسکوپی هستند که ضخامتشان حدود یک ده‌هزارم ضخامت موی انسان است، اما به گفته پژوهشگران، استحکام آنها چندین برابر فولاد است.

ساخت این الیاف البته آسان نبود. دانشمندان ابتدا پودر الماس را با این مواد ترکیب کردند و سپس مخلوط حاصل را در معرض دمایی حدود دو هزار درجه سانتی‌گراد و فشاری معادل ۱۵ گیگاپاسکال قرار دادند.

این تعادل دقیق میان دما و فشار باعث شد نانولوله‌های کربنی خودشان به الماس تبدیل نشوند و در عین حال نیز به گرافیت تجزیه نشوند. الماس و گرافیت هر دو از کربن خالص تشکیل شده‌اند و تفاوت اصلی آنها در نحوه آرایش اتم‌ها در شبکه بلوری است.

به این ترتیب، نانولوله‌های کربنی توانستند ساختار خود را حفظ کنند و در سطح اتمی با الماس پیوند بخورند. نتیجه، ماده‌ای است که چقرمگی آن حدود پنج برابر بیشتر از الماس تک‌بلوری است.

پژوهشگران در مقاله خود نوشته‌اند یافته‌های آنها درک عمیق‌تری از سازوکار افزایش چقرمگی، از جمله منحرف شدن ترک‌ها، توزیع تنش و اتلاف انرژی ارائه می‌کند. به گفته آنها، این معماری ساختاری جدید گام مهمی در توسعه مواد فوق‌سخت و سرامیک‌های کامپوزیتی به شمار می‌رود و می‌تواند زمینه را برای کاهش هزینه، افزایش طول عمر و نوآوری‌های فنی آینده در کاربرد‌های مختلف فراهم کند.

برای تصور کاربرد‌های «عملی» این ماده، نیازی به تخیل زیادی نیست. الماس همین حالا نیز یکی از مواد مهم در ساخت ابزار‌های برش مقاوم است و یک الماس مصنوعی که علاوه بر سختی فوق‌العاده، چقرمگی بالایی هم داشته باشد، می‌تواند کاربرد‌های گسترده‌ای در صنایع تولیدی و هوافضا پیدا کند.

بنابراین، اگرچه ممکن است سختی الماس همچنان «ابدی» باشد، کمک گرفتن از نانولوله‌های کربنی می‌تواند باعث شود مقاومت آن در برابر شکست نیز به همان اندازه چشمگیر شود.