كشف دراسة نشرتها مجلة Science، أن باحثين أخضعوا سبيكة شديدة الصلابة لدرجات حرارة شديدة البرودة، من أجل اختبار مدى مقاومة المادة للكسر.
وعرف العلماء منذ سنوات أن هذه السبيكة هي واحدة من المواد الصعبة – ومع ذلك، ولدهشة الفريق، أصبحت السبيكة أكثر صرامة ومقاومة للتشقق مع انخفاض درجات الحرارة.
وأثبت الباحثون أن سبيكة معدنية من الكروم والكوبالت والنيكل هي رسميا أصعب مادة على وجه الأرض – أقوى بمئة مرة من مادة الغرافين العجيبة.
وهذه المقاومة الفائقة للكسر تتناقض بشكل صارخ مع خاصية معظم المواد التي تصبح فقط أكثر هشاشة في درجات الحرارة المنخفضة، وفقاً لمعدي الدراسة.
وقال المعد المشارك في الدراسة روبرت ريتشي، أستاذ الهندسة في جامعة كاليفورنيا بيركلي وكبير علماء هيئة التدريس في مختبر لورنس بيركلي الوطني: “يتحدث الناس عن صلابة الغرافين، والتي تقاس بـ 4 ميغا باسكال فقط لكل متر”.
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”.
وصلابة سبائك الألومنيوم المستخدمة في الطائرات وهي 35 ميغا باسكال لكل متر. فيما هذه المادة لها صلابة من 450 إلى 500 ميغا باسكال للمتر، وهذه أرقام محيرة للعقل”.
وتتراوح 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) هما باهظا التكلفة للغاية، ما يحد من فائدة السبيكة للمختبر في المستقبل المنظور.
وتعتبر سبائك الكروم والكوبالت والنيكل مثالاً على السبيكة العالية الإنتروبية (HEA). وعلى عكس معظم السبائك، التي تصنع في الغالب من عنصر واحد مع كميات أقل من العناصر الأخرى المضافة، فإن HEA مصنوعة من مزيج من عناصر مكونة بالتساوي.
وتتسبب إحدى الآليات الرئيسية، على سبيل المثال، في تشتيت الذرات داخل السبيكة تحت الضغط، ما يسمح لها بالتراص بعضها فوق بعض. وهذا، إلى جانب العديد من الآليات الأخرى، مما يسمح للمادة بالاستمرار في التشوه مع زيادة الضغط دون أن تتكسر.
وهذا الـ HEA مرن للغاية، أو مطيل، ما يعني أنه يمكن أن ينحني تحت الضغط لتحمل الكسر، وفقاً لمعدي الدراسة. والعديد من الحيل في التركيب الجزيئي للسبيكة يجعلها مرنة للغاية.
واختبر الباحثون في البداية صلابة السبيكة عن طريق تعريضها للنيتروجين السائل عند درجات حرارة تبلغ 321 درجة فهرنهايت تحت الصفر (ناقص 196 درجة مئوية). وعندما تحسنت صلابة السبيكة فقط، تساءل الفريق إلى أي مدى يمكنهم دفع حدود المادة.
وتبين أن صلابة المادة بالقرب من درجات حرارة الهيليوم السائل تصل إلى 500 ميغا باسكال للمتر.
مواقع عربية
