تم اكتشاف أنماط ذرية سرية مخبأة داخل المعادن ScienceAlert

متى سبائك معدنية عندما تتم معالجتها أثناء التصنيع، يتم خلط ذرات العناصر مجتمعة معًا بشكل عشوائي، وفقًا للحكمة التقليدية – لكن الأبحاث الجديدة تتحدى هذا التفكير، وتكشف عن الأنماط الذرية الخفية التي لا تزال قائمة.

الدراسة هي من عمل باحثين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، وتعد بفتح طرق جديدة للتحكم في خصائص المعادن أثناء التصنيع

مؤخرًا الدراسات المخبرية يملك تحديد الأنماط الدقيقة في السبائك المعدنية ذلك يمكن أنب لتعزيز خصائص المادة، بما في ذلك القوة الميكانيكيةوالمتانة و التسامح الإشعاعي. تكشف هذه الدراسة الجديدة من خلال عمليات المحاكاة كيف تظهر هذه الأنماط – وبعض الأنماط الجديدة – وتستمر حتى بعد المعالجة المكثفة.

متعلق ب: اختراق: التشابك الكمي الذي تم تحقيقه بين قلوب ذرتين

“هذه هي الورقة الأولى التي توضح حالات عدم التوازن هذه التي يتم الاحتفاظ بها في المعدن” يقول عالم المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا رودريغو فريتاس.

“في الوقت الحالي، هذا النظام الكيميائي ليس شيئًا نتحكم فيه أو ننتبه إليه عندما نقوم بتصنيع المعادن.”

يعد فهم النتائج الجديدة أمرًا صعبًا بعض الشيء إذا لم تكن على دراية بفيزياء السبائك المعدنية، ولكن الترتيب الكيميائي قصير المدى (SRO) الذي كان يبحث عنه الباحثون في هذه الدراسة هو الترتيب الذي تقع فيه الذرات في السبائك المعدنية.

أجرى الفريق عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة لتتبع تفاعلات ملايين الذرات في جسم ما سبائك الكروم والكوبالت والنيكل (CrCoNi) أثناء عمليات التشوه المكثفة الشائعة في التصنيع – على وجه التحديد، التبريد السريع والتمدد الشامل.

أولاً، رأى الباحثون أنماطًا ذرية كانت مألوفة، ولكن من غير المتوقع أن تظل سليمة بعد ذلك التشوهات السريعة. ثانيًا، وجدوا أنماطًا جديدة تمامًا، أطلقوا عليها اسم “الحالات البعيدة عن التوازن”.

وأظهرت النماذج أن من الأمور الحاسمة لبقاء هذه الحالات هي العيوب (أو الاضطرابات) التي تتشكل في الجسم الهيكل البلوري المعادن أثناء تسخينها وتبريدها أو تمددها. إنها تقريبًا مثل الشخبطة على المستوى الذري، وهي تساعد المعدن على تحمل الضغط الواقع عليه.

قبل الآن، كان من المفترض أن التشوهات وحركة العيوب اللاحقة قضت إلى حد كبير على SRO، لكن النماذج التي يديرها الباحثون أظهرت أن الذرات في الواقع تتنقل مع بعض القدرة على التنبؤ.

“هذه العيوب لها تفضيلات كيميائية توجه كيفية حركتها. إنها تبحث عن مسارات منخفضة الطاقة، لذلك إذا تم الاختيار بين كسر الروابط الكيميائية، فإنها تميل إلى كسر الروابط الأضعف، وهذا ليس عشوائيًا تمامًا”. يقول فريتاس.

“هذا أمر مثير للغاية لأنه حالة عدم توازن: إنه ليس شيئًا يمكن رؤيته يحدث بشكل طبيعي في المواد.”

بمعنى آخر، هذه الأنماط المكتشفة حديثًا لم تنشأ إلا بسبب عمليات التصنيع. وسوف تؤثر بدورها على الخصائص المختلفة للمعدن، وهو أمر يمكن أن تبدأ الدراسات المستقبلية في النظر فيه بمزيد من التفصيل.

في حين أن الفيزياء المعنية هنا عالية المستوى جدًا، فإن الآثار المترتبة على ذلك هي أنه يمكننا ضبط خصائص السبائك المعدنية بطرق لم يتم التفكير فيها من قبل، في كل شيء بدءًا من المفاعلات النووية إلى المركبات الفضائية – بسبب الطريقة التي ترفض بها ذراتها أن يتم خلطها بالكامل.

“الخلاصة هي: لا يمكنك مطلقًا توزيع الذرات في المعدن بشكل عشوائي تمامًا. ولا يهم كيفية معالجتها”. يقول فريتاس.”

“حقيقة أنه لا يمكنك مزج شيء ما معًا بشكل كامل، لم يتوقع الناس ذلك.”

وقد تم نشر البحث في اتصالات الطبيعة.