با ترکیبی از آزمایش ها و مدلسازی تحلیلی ترمودینامیکی، پژوهشگران در آمریکا آلیاژ نانوبلوری بر پایه تنگستن تولید کرده اند که در دماهای بالا 1000 درجه سانتیگراد پایدار است. آلیاژهای نانوبلوری به ندرت در چنین دماهایی تاب می آورند و ین موفقیت عظیم می تواند به تولید مواد جدیدی منتهی شود که استحکام بالا را با مقاومت بالا تلفیق می کنند.
فلزات متشکل از دانه های نانوبلوری -بلورهای ریز با اندازه چند ده نانومتر- بسیار قوی تر از فلزاتی با ساختارهای اندازه میکرون و بزرگتر هستند. متاسفانه این نانوبلوره ناپایدارتر هستند. یکی از مشکلات، دانه های ریز می توانند رشد کنند و در دماهای بالا با هم ترکیب شده و فلز را هموار کنند. در پرداخت فلز معمولا دماهای بالایی استفاده می شود و این پدیده مطلوبی نیست. اگرچه پژوهشگران تلاش نموده اند تا روش هایی ارتقا دهند که جلوی رشد دانه های ناخواسته را بگیرد و البته هنوز به پاسخ رضایت‌بخشی نرسیده اند.
بعد از یک هفته در 1100 درجه سانتیگراد، تنگستن نانوبلوری(چپ) ساختار دانه ای نانومقیاس خود را از دست می دهد و به مقیاس میکرون می رسد(بالا راست). با آلیاژ کردن با تیتانیوم، تنگستن می تواند اندازه دانه نانوبلوری خود را تحت همان شرایط بازیابی کند(راست پایین). عکس متعلق به چوکاجورن، موردوچ و شوه.
اکنون گروهی در MIT با سرپرستی کریستوفر شوه[1] به راه حلی دست یافته اند. محققان آلیاژهایی حاوی نانوبلورها ساخته اند که در دمای بالا آمیخته نمی شوند. شوه توضیح می دهد:«روش ما مبتنی بر محاسبه انرژی همه اتم ها/پیوندها در یک آلیاژ به همراه انرژی های آن ها در محیط بلور و مرزهای دانه ای ببین بلورها است. به ویژه اثرات عناصر آلیاژی گوناگون را بر انرژی ساختار محاسبه می کنیم و به دنبال این هستیم تا تعیین کنیم کدام عناصر می توانند مرزهای دانه ای را پایدار نموده و حالت نانوبلوری را حفظ نمایند.» سال هاست که صنایع تلاش کرده اند تا آلیاژهایی با دانه های بلوری بسازند اما طبیعت حالت های کم انرژی یعنی بلورهای بزرگتر را ترجیح می دهد.
مخلوط های جدید
گروه با دنبال کردن محاسبات و استفاده از ترکیبات مناسبی از فلزات مختلف با نسبت مشخص، با موفقیت آلیاژها را ترکیب کرد. پژوهشگران به مخلوط های فلزی توجه کرده اند که قبلا (حتی در آزمایشگها) تولید نشده اند. مثلا در کار اولیه روی آلیاژهای تنگستن ترکیباتی از 12 عنصر مختلف مانند تیتانیوم، کرومیوم، مس، نقره و غیره را در نظر گرفتند. شوه می گوید:«رهیافت های مرسوم برای طراحی آلیاژها عموما مرزهای دانه ای را در نظر نمی گیرند بلکه بر تطابق بین فلزات مختلف تاکید دانرد. با این حال، مرزهای دانه ای برای ساخت نانوبلورهای پایدار اساسی هستند بنابراین تصمیم گرفتیم تا آن ها را در محاسبات خود منظور کنیم.»
یکی از آلیاژهای ساخت گروه بر اساس تنگستن و تیتانیوم، دارای دانه های تیتانیوم با اندازه 20 نانومتر است. مشخص شد که این آلیاژ در دمای 1100 درجه سانتی گراد به مدت یک هفته دوام می آورد و در طی این زمان استحکام خود را بازیابی می کند. بنابراین کاربردهایی در شرایط نیازمند مقاومت بالا همانند دستگاه های صنعتی یا تسلیحات دارد.
«روشی که ما در کارمان ساختیم به سادگی برای ساخت دیگر مواد نانوساختار با استحکام و پایداری خوب یا حتی بهتر قابل استفاده است.» این اعتقاد شوه است؛ دیگر اعضای گروه هیدر موردوچ[2] و تانگجای چوکاجورن[3] می افزایند:«یافتن چنین آلیاژهایی تقریبا با روش های آزمون و خطای مرسوم غیرممکن است اما می توانیم محاسبه کنیم که کدام ترکیبات فلزی کار (نـ)می کند.»
گروه اکنون در حال کار بر تعمیم رهیافت نظری خود برای دیگر آلیاژها و ساختارهاست. این کار در نشریه ساینس به چاپ رسید.
درباره نویسنده
بله دومه[4] ویراستار همکار در nanotechweb.org است.
منبع
Nanocrystalline alloys can take the heat, Physicsworld.com, Aug 28, 2012, link
مرجع
Design of Stable Nanocrystalline Alloys, Tongjai Chookajorn, Heather A. Murdoch, Christopher A. Schuh, Science 24 August 2012: Vol. 337 no. 6097 pp. 951-954, DOI: 10.1126/science.1224737, link