قام باحثون في جامعة ولاية كارولينا الشمالية، والأكاديمية الصينية للعلوم، بتطوير تقنية تجعل معدن التيتانيوم أقوى دون التضحية بليونته، ويعتقد الباحثون أن بإمكانهم استخدام هذه التقنية في معادن أخرى أيضًا، وهذا التقدم لديه العديد من التطبيقات المحتملة لتصنيع مركبات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
ويقول Yuntian Zhu، الأستاذ في علم المواد وهندستها في جامعة ولاية كارولينا الشمالية، والمشارك في هذا البحث: “المادة قد تكون إما صلبة أو مرنة، ومن الصعب أن تجتمع الصفتين في المعدن نفسه”، وأضاف: “هذا سيسمح لنا بخلق مواد قوية لاستخدامها في صنع مركبات أخف وزنا، ولكن مرنة بما فيه الكفاية لمنع المواد من الفشل الكارثي تحت الضغط او الإجهاد”.
الفكرة المفتاحية هنا هي حجم الحبوب أو البلورات في المعدن. فالمعادن التي يكون حجم حباتها أصغر تكون أقوى، وهذا يعني أن بإمكانها تحمل مقدارأكبر من القوة قبل أن تبدأ بالتشوه. لكن المعادن ذات الحبات الصغيرة تكون أقل مرونة، بمعنى أنها قد تصمد تحت ضغط أقل قبل الإنكسار، فالمواد الغير مرنة لا تلتوي أو تمتد، بل تقوم بالانقطاع. والحالة هي معاكسة تمامًا بالنسبة للمعادن ذات الحبيبات الكبيرة الحجم، حيث أنها تكون أكثر مرونة ولكن أقل قوة.
التقنية الجديدة تتلاعب بحجم الحبات لمنح المعادن المتانة من حبيبات التيتانيوم الفائقة الرتابة، والليونة من حبيبات التيتانيوم الخشنة غير المصقولة.
وقد بدأ الباحثون باستخدام اللف اللامتناظر لمعالجة لوح تيتانيوم سمكه 2 ملليمتر، ثم تمر اللوحة بين أسطوانتين لافّتين تُحكِمان الضغط على جانبي اللوح، إلا أن إحدى هذه الأسطوانات تدور بسرعة أكبر. إن ذلك لا يسبب انضغاط الصفيحة لتصبح أرق فحسب، بل أيضًا يخلق إجهاد بحت في المعدن، ناتج عن الفرق بين سرعة دوران اللافّات.
وبمعنى آخر، فإن البنية البلورية للتيتانيوم تتقدم بشكل أسرع في جانب اللافّة الأسرع، والعكس صحيح في جانب اللافّة الأبطأ، وهذا يشوه ويفصل البنية البلورية بشكل فعّال ليخلق حبيبات صغيرة في المادة.
وقد كرر الباحثون عملية اللف اللامتناظر حتى وصل سمك المعدن إلى 0.3 ملليمتر، ثم عُرِّض اللوح لـدرجة حرارة تبلغ 475 مئوية، لمدة خمس دقائق، وهذا يسمح لبعض الحبيبات الصغيرة أن تستهلك بعضها وتتجمّع مكونة حبيبات أكبر.
العملية الثانية تخلق خليطاً من الحبيبات الصغيرة والكبيرة، وتوضع الحبات الكبيرة في أعمدة طويلة وضيقة، ويكون كل عامود محاطًا بشكل كامل بطبقة من الحبيبات الصغيرة.
تكون حينها المادة الناتجة بقوة الحبيبات الصغيرة للتيتانيوم، وذلك بسبب الطبقة المحيطة بالحبيبات الكبيرة، وبذلك تمنعها من التشوه، كما تحتفظ المادة بليونة الحبيبات الكبيرة، لأنه ما أن يتم تطبيق إجهاد كافي على المادة، فإن الحبيبات الصغيرة والكبيرة ستبدأ بالتشوه بمعدلات مختلفة، ولكن الحبيبات ذات الأحجام المتفاوتة تقوم بالتنسيق فيما بينها، بطريقة تشبه حركة المرور عندما تتكيف لتناسب السيارات البطيئة ليتم مراعاتها، الاختلاف في أحجام الحبيبات يخلق ظاهرة تُسمّى “تصلّب الإجهاد”، وفيها كلما امتدت وامطت المادة، كلما صارت أقسى.
X.L.Wu، وهي المشارك والمؤلف الأول للبحث في الأكاديمية الصينية للعلوم بمعهد الميكانيك، قالت: “بالإضافة لخلق معدن غير مسبوق من مزيج جديد يجمع بين الليونة والقوة، فهذا المعدن لديه تصلّب إجهاد أعلى من حبيبات التيتانيوم الخشنة، الأمر الذي كان يُعتقد أنه من المستحيلات”.
العمليات المستخدمة في هذه التقنية الجديدة هي بالفعل شائعة في الاستخدام الصناعي، فتضيف Wu: ” لكنها لم يتم استخدامها بهذه الطريقة سابقًا، لذا سيكون من السهل توسيع نطاقها”.
إن Wu وZhu يعملان حاليًا على مشاريع تثبت أن هذه التقنية سوف تعمل على المعادن الأخرى أو حتى على السبائك المصنوعة من مزج معدنيين وأكثر.
