تحلیل رفتار فلزات با کشف جدید وارد فاز جدید شد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق به شناسایی پدیده‌ای جدید در ساختار اتمی فلزات شده‌اند که می‌تواند نگاه سنتی به رفتار و خواص فلزات را دگرگون کند. آنان دریافته‌اند که نوعی نظم شیمیایی پنهان درون فلزات حتی پس از فرآیند‌های صنعتی شدید مانند نورد، تغییر شکل و حرارت‌دهی همچنان باقی می‌ماند؛ موضوعی که تا پیش از این برخلاف فرضیات رایج دانشمندان بود.

به گزارش sciencedaily، برای دهه‌ها دانشمندان می‌دانستند که آلیاژ‌های فلزی دارای الگو‌های شیمیایی ظریف هستند، اما تصور می‌شد این الگو‌ها در حین تولید از بین می‌روند یا تاثیر قابل توجهی بر خواص مواد ندارند. اکنون آزمایش‌های دقیق MIT نشان داده است که این نظم‌های اتمی نه‌تنها حفظ می‌شوند، بلکه به طور مستقیم بر ویژگی‌هایی مانند استحکام مکانیکی، دوام، ظرفیت گرمایی و مقاومت در برابر تابش تأثیر می‌گذارند.

نتایج این پژوهش در نشریه Nature Communications منتشر شده است. در این مقاله تیم تحقیقاتی MIT با ردیابی میلیون‌ها اتم در حین شبیه‌سازی فرآیند‌های تولید فلز موفق شدند پدیده فیزیکی تازه‌ای را شناسایی کنند که توضیح می‌دهد چرا این الگو‌های شیمیایی حتی در حالت تعادل‌نیافتۀ ماده نیز پابرجا می‌مانند. آنان همچنین یک مدل ساده محاسباتی توسعه داده‌اند که می‌تواند الگو‌های شیمیایی را پیش‌بینی کرده و به مهندسان کمک کند تا از آن برای تنظیم خواص فلزات در صنایع مختلف مانند هوافضا، نیمه‌هادی‌ها و راکتور‌های هسته‌ای بهره ببرند.

رودریگو فریتاس، استاد گروه علم و مهندسی مواد MIT و نویسنده مسئول این پژوهش می‌گوید: نتیجه این است که شما هرگز نمی‌توانید اتم‌ها را در فلز به‌طور کامل تصادفی کنید. مهم نیست فلز را چگونه پردازش می‌کنید؛ همیشه نوعی نظم پنهان باقی می‌ماند. این نخستین پژوهش است که نشان می‌دهد حالت‌های ناپایدار (غیرتعادلی) می‌توانند در فلز حفظ شوند.

فریتاس که در ابتدای مسیر پژوهشی خود است این کشف را تأییدی بر اهمیت پرداختن به موضوعی می‌داند که بسیاری آن را بی‌نتیجه تلقی می‌کردند. او از حمایت مالی دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی آمریکا (AFOSR) و همکاری سه دانشجوی دکتری MIT محمودال اسلام، ییفان کائو و کیلیان شریف قدردانی کرده است.

پرسش ابتدایی گروه پژوهشی ساده بود: عناصر شیمیایی در هنگام فرآیند‌های فلزکاری با چه سرعتی با یکدیگر مخلوط می‌شوند؟ بر اساس باور رایج در مرحله‌ای از تولید، ترکیب شیمیایی فلزات باید کاملاً یکنواخت شود. اما شبیه‌سازی‌های دقیق مبتنی بر یادگیری ماشین (Machine Learning) نشان دادند که فلزات هرگز به حالت اختلاط کامل نمی‌رسند.

فریتاس توضیح می‌دهد: در فرآیند‌های صنعتی، فلز بار‌ها نورد و تغییر شکل داده و دوباره حرارت می‌بیند تا به ساختار دلخواه برسد. تصور ما این بود که این فرآیند‌های شدید پیوند‌های شیمیایی را می‌شکنند و نظم اتمی را از بین می‌برند، اما مشاهده کردیم که حتی پس از این مراحل، الگو‌های مشخصی از نظم باقی می‌ماند.

این یافته در ابتدا گیج‌کننده بود، زیرا هیچ سازوکار فیزیکی شناخته‌شده‌ای نمی‌توانست آن را توضیح دهد. تیم MIT برای رمزگشایی این پدیده، ابزار‌های محاسباتی جدیدی طراحی کرد تا تعاملات اتمی را با دقت بالا مدل‌سازی کند. آنان با استفاده از شبیه‌سازی‌های مولکولی در مقیاس وسیع، تغییرات نظم شیمیایی در طول زمان را اندازه‌گیری کردند و دریافتند که برخی الگو‌های اتمی در دما‌هایی بالاتر از حد انتظار پایدار می‌مانند.

حتی فراتر از آن آنان الگو‌های کاملا جدیدی را مشاهده کردند که پیش از این هرگز در خارج از شرایط تولید صنعتی دیده نشده بود. این حالت‌ها را پژوهشگران حالت‌های دور از تعادل (far-from-equilibrium states) نامیدند.

نظم از دل بی‌نظمی

تیم MIT برای توضیح این پدیده مدلی ساده توسعه داد که نشان می‌دهد این الگو‌ها از نقص‌های ساختاری موسوم به جابجایی‌ها (dislocations) ناشی می‌شوند نواحی پیچیده‌ای در شبکه فلزی که مانند خطوط درهم‌تنیده سه‌بعدی عمل می‌کنند. در هنگام تغییر شکل فلز، این جابجایی‌ها موجب جابه‌جایی اتم‌ها می‌شوند، اما این جابه‌جایی‌ها تصادفی نیستند؛ برخی پیوند‌ها راحت‌تر شکسته می‌شوند و همین موضوع منجر به ایجاد الگو‌های ظریف شیمیایی می‌شود.

فریتاس در توضیح این رفتار می‌گوید: این نقص‌ها ترجیحات شیمیایی دارند. آنها در مسیر‌هایی حرکت می‌کنند که انرژی کمتری مصرف شود و تمایل دارند پیوند‌های ضعیف‌تر را بشکنند، نه هر پیوندی را. به همین دلیل، به جای بی‌نظمی کامل، نوعی نظم پنهان ایجاد می‌شود. این حالت شبیه بدن ماست که برای زنده‌ماندن در دمایی متفاوت از محیط، وضعیت پایدار غیرتعادلی را حفظ می‌کند. فلز نیز در چنین توازنی میان آشفتگی و نظم قرار می‌گیرد.

مسیر تازه در طراحی مواد پیشرفته

اکنون گروه MIT در حال بررسی نحوه شکل‌گیری این الگو‌های شیمیایی در شرایط مختلف تولید صنعتی است تا نقشه‌ای جامع از ارتباط میان مراحل فرآیند و الگو‌های حاصل ارائه دهد. این نقشه می‌تواند به مهندسان کمک کند تا از این نظم‌های پنهان به‌عنوان ابزاری طراحی برای بهبود ویژگی‌های مواد استفاده کنند.

فریتاس می‌گوید: این موضوع فقط به نظریه محدود نمی‌شود. اکنون می‌دانیم که این نظم‌های اتمی می‌توانند بر ویژگی‌هایی مانند کاتالیز الکتروشیمی و مقاومت در برابر تابش تأثیر بگذارند؛ ویژگی‌هایی که برای صنایع حساسی مانند هوافضا و انرژی هسته‌ای حیاتی‌اند.

به گفته پژوهشگران، این یافته‌ها می‌تواند راه را برای طراحی نسل جدیدی از آلیاژ‌های فوق‌سخت و سبک هموار کند؛ فلزاتی که در صنایع پیشرفته مانند هوافضا، نیمه‌هادی‌ها و رآکتور‌های هسته‌ای کاربرد گسترده خواهند داشت.

فریتاس در پایان می‌افزاید: اکنون مهندسان می‌توانند درک کنند که چگونه اتم‌ها در فرآیند‌های تولید واقعاً حرکت و ترکیب می‌شوند. این آگاهی کلید آن است که بتوانیم موادی بسازیم که هم استحکام بالا داشته باشند و هم چگالی پایین هدفی که می‌تواند تأثیری بزرگ بر آینده صنایع فلزی بگذارد.