سبيكة “محيرة للعقل” هي أقوى مادة على وجه الأرض ، حتى في درجات الحرارة القصوى
أثبت الباحثون أن سبيكة معدنية من الكروم والكوبالت والنيكل هي رسميًا أصعب مادة على الأرض – أقوى بمئة مرة من المادة العجيبة. الجرافين.
في دراسة جديدة نشرت في 1 ديسمبر في المجلة علم (يفتح في علامة تبويب جديدة)و قام الباحثون بتعريض السبيكة شديدة الصلابة لدرجات حرارة شديدة البرودة ، من أجل اختبار مدى مقاومة المادة للكسر. لقد عرف العلماء منذ سنوات أن هذه السبيكة هي واحدة من ملفات تعريف الارتباط الصعبة – ومع ذلك ، ولدهشة الفريق ، أصبحت السبيكة أكثر صرامة ومقاومة للتشققات مع انخفاض درجات الحرارة.
هذه المقاومة الفائقة للكسر تتناقض بشكل صارخ مع معظم المواد ، والتي تصبح أكثر هشاشة فقط في درجات الحرارة المنخفضة ، وفقًا لمؤلفي الدراسة.
“يتحدث الناس عن صلابة الجرافين ، والتي تقاس فقط بـ 4 ميغا باسكالس لكل متر” ، هذا ما قاله مؤلف مشارك في الدراسة روبرت ريتشي (يفتح في علامة تبويب جديدة)، أستاذ الهندسة في جامعة كاليفورنيا بيركلي وكبير علماء هيئة التدريس في مختبر لورانس بيركلي الوطني ، لموقع Live Science. “صلابة سبائك الألومنيوم المستخدمة في الطائرات هي 35 ميغا باسكال لكل متر. هذه المادة لها صلابة من 450 إلى 500 ميغا باسكال للمتر … هذه أرقام محيرة للعقل.”
تتراوح التطبيقات المحتملة لمثل هذه المواد الصلبة من البنية التحتية الفضائية إلى الحاويات المقاومة للكسر لاستخدامات الطاقة النظيفة هنا على الأرض. ومع ذلك ، لاحظ ريتشي ، أن عنصرين من العناصر الثلاثة للسبيكة (النيكل والكوبالت) باهظ التكلفة للغاية ، مما يحد من فائدة السبيكة للمختبر في المستقبل المنظور.
سبيكة غريبة
ال الكرومو كوبالت و النيكل سبيكة مثال على سبيكة عالية الانتروبيا (HEA). على عكس معظم السبائك ، التي تصنع في الغالب من عنصر واحد مع كميات أقل من العناصر الإضافية المضافة ، فإن HEAs مصنوعة من مزيج متساوٍ من كل عنصر مكون.
هذا HEA مرن للغاية ، أو مطيل ، مما يعني أنه يمكن أن ينحني تحت الضغط لتحمل الكسر ، وفقًا لمؤلفي الدراسة. العديد من المراوغات في التركيب الجزيئي للسبيكة تجعلها مرنة للغاية. تتسبب إحدى الآليات الرئيسية ، على سبيل المثال ، في خلع الذرات داخل السبيكة تحت الضغط ، مما يسمح لها بالقص فوق بعضها البعض. هذا ، إلى جانب العديد من الآليات الأخرى ، يسمح للمادة بالاستمرار في التشوه مع زيادة الضغط ، دون أن تتكسر أو تنكسر.
وأضاف ريتشي: “تبدأ كل واحدة من هذه الآليات في مرحلة لاحقة عندما تزيد الضغط على المادة وهذه هي الوصفة المثالية للصلابة العالية”. “اللافت للنظر هو أن هذه الآليات تصبح أكثر فعالية في درجات الحرارة الباردة.”
اختبر الباحثون في البداية صلابة السبيكة عن طريق تعريضها للنيتروجين السائل عند درجات حرارة تبلغ 321 درجة فهرنهايت تحت الصفر (ناقص 196 درجة مئوية). عندما تحسنت صلابة السبيكة فقط ، تساءل الفريق إلى أي مدى يمكنهم دفع حدود المادة.
دونغ ليو (يفتح في علامة تبويب جديدة)قام عالم الفيزياء بجامعة بريستول في إنجلترا وزملاؤه بتصميم تجربة لتعريض السبيكة للسائل الهيليوم، والتي يمكن أن تبرد إلى درجات حرارة شديدة البرودة تصل إلى سالب 424 فهرنهايت (ناقص 253 درجة مئوية). ثم راقب الفريق النيوترونات تتناثر على المادة في عملية تسمى حيود النيوترونات للنظر في بنية السبيكة ومعرفة كيفية تشكل الشقوق مع زيادة الضغط.
أظهرت التجربة أنه عندما يتعلق الأمر بالصلابة ، فإن السبيكة تنفجر الجرافين من الماء.
قال ليو لـ Live Science: “الجرافين ذو قوة عالية جدًا ، لكنه لا يتحمل أي ضرر. “إنه هش للغاية ويتحطم تمامًا مثل الكوب الذي ترميه على الأرض ويتحطم إلى أشلاء.”
وأضاف ليو أن عيبًا آخر في الجرافين هو أن قوته العالية تثبت فقط عند مستويات نانومترية صغيرة بشكل استثنائي. وفي الوقت نفسه ، كانت عينات الكروم والكوبالت وسبائك النيكل التي تم اختبارها بواسطة Liu وفريقها بحجم علبة السجائر ، مما يعني أن HEA حافظت على متانتها على نطاق الأشياء اليومية.
مواد المستقبل
في حين أن هناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات قبل أن يتم تطبيق هذه المادة عمليًا ، فإن Liu متفائل بإمكانية استخدام السبيكة في العديد من المشاريع ، سواء في الفضاء أو على الأرض. على سبيل المثال ، يمكن استخدام HEA في هيدروجين حاويات التخزين التي يمكن أن تجعل المركبات الصديقة للبيئة التي تعمل بالهيدروجين أكثر جدوى.
قال ليو: “إذا كنت تقود سيارة بها وعاء هيدروجين مصنوع من شيء هش للغاية ، فأنت تحمل قنبلة معك في الأساس. ولكن ليس بهذه المادة”.
في غضون ذلك ، يتوخى ريتشي الحذر في اقتراح التطبيقات المحتملة للسبيكة ، حيث يتطلب نقل المواد من المختبر إلى “العالم الحقيقي” الكثير من المعرفة والوقت ، في حين أن تكاليف النيكل والكوبالت لا تزال باهظة للغاية. ومع ذلك ، فهو مهتم بتطوير وصفات لسبائك جديدة يمكن أن تكون بنفس الصلابة باستخدام عناصر مختلفة.
قال ريتشي: “هناك 50 عنصرًا يمكن استخدامها في الجدول الدوري”. “أخذ مجموعات من ثلاثة أو خمسة أو سبعة منهم يعني أن هناك الملايين من السبائك الجديدة.”
