اكتشف العلماء معادن ترفض التشقق عند درجة حرارة مذهلة تبلغ -424 درجة فهرنهايت

قاومت خلائطان تجريبيتان التشقق عند -424 درجة فهرنهايت من خلال تكوين عيوب بلورية جديدة، مما يوفر طريقًا محتملاً لمعادن أكثر صلابة للبرد الشديد.

تصبح معظم المعادن أقوى عندما تبرد، لكن بعضها أيضًا يصبح أكثر عرضة للكسر. ينتمي الحديد والتنغستن والكروم إلى فئة تسمى المعادن المكعبة المتمركزة في الجسم، والتي يمكن أن يؤدي ترتيبها الذري إلى جعلها هشة بشكل متزايد مع انخفاض درجات الحرارة. الشق الذي قد يستوعبه المعدن عن طريق الثني أو التمدد يمكن أن يسبب كسرًا بدلاً من ذلك.

وتعتمد هذه القدرة على التشوه بشكل كبير على حركة الاضطرابات، وهي عيوب تشبه الخطوط في البنية البلورية للمعدن. عند درجات الحرارة المنخفضة، تصبح هذه العيوب أكثر صعوبة في التحرك، مما يحد من مقدار تشوه المادة لتخفيف القوى المتراكمة حول الشق.

تقاوم السبائك التشقق عند درجة حرارة -424 درجة فهرنهايت

تجنبت خلائطان تجريبيتان أساسهما النيوبيوم والتيتانيوم هذه المشكلة حتى عند درجة حرارة 20 كلفن، أي حوالي -253 درجة مئوية (−424 درجة فهرنهايت)، عن طريق تغيير كيفية تشوهها. وجد فريق دولي بقيادة جامعة كاليفورنيا، بيركلي، ومختبر لورانس بيركلي الوطني، وجامعة أكسفورد أن السبائك ظلت مقاومة بشكل ملحوظ للتشقق، مع عدم وجود تحول قابل للقياس إلى السلوك الهش عند أدنى درجة حرارة تم اختبارها. النتائج التي توصلوا إليها، نشرت في طبيعةيكشف كيف تخلق السبائك فرصًا جديدة للتشوه عندما تصبح الآلية المعتادة صعبة.

ولاختبار السبائك في ظل هذه الظروف، استخدم الباحثون أداة Engin-X في إيزيس نيوترون وميون سورس في أوكسفوردشاير. وقاموا بتبريد العينات بالهيليوم الغازي إلى حوالي -253 درجة مئوية، ثم عرضوها لشعاع نيوتروني بينما قامت آلة اختبار بسحبها من كلا الطرفين. قاست الاختبارات بدقة مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها العينات ومدى تمددها قبل أن تنكسر.

العيوب البلورية التي تحافظ على تشوه السبائك

أتاحت المجاهر الإلكترونية للفريق فحص التغيرات الهيكلية حول الشقوق وداخل المعدن الذي تم اختباره. لاحظ الباحثون التوأمة النانوية، وهي عملية يتم فيها إعادة تنظيم مناطق صغيرة من البلورة في اتجاهات صورة المرآة، إلى جانب التحول المحلي للبنية البلورية. واستخدموا أيضًا تحليل المسبار الذري لرسم خريطة توزيع العناصر الفردية والنمذجة الحاسوبية للتحقيق في كيفية عمل الآليات المختلفة معًا لمنع الفشل الهش.

عندما وصلت الهياكل المتكونة حديثًا إلى الحدود بين البلورات المجاورة، خلقت نقاط ضغط مركزة أدت إلى اضطرابات جديدة. سمحت هذه العيوب الجديدة للمادة بالاستمرار في التشوه وامتصاص القوى المحيطة بالشق. وحتى مع زيادة صعوبة تحريك الانخلاعات الموجودة، فقد تتمكن السبائك من توليد انخلاعات جديدة عند هذه الحدود.

قال المؤلف الرئيسي الدكتور ديفيد كوك، الذي كان في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، أثناء الدراسة وهو الآن في جامعة كامبريدج: “تشير نتائجنا إلى أننا يجب أن نغير طريقة تفكيرنا حول ما يحكم الانتقال إلى هشاشة هذه المعادن. تقليديا، كان التركيز على مدى سهولة تحرك الاضطرابات الموجودة عبر المعدن، ولكن يبدو الآن أن القدرة على إنشاء اضطرابات جديدة في الواجهات قد تكون حاسمة أيضا. وباستخدام هذه الأفكار، قد نكون قادرين على تصميم الظروف الهيكلية الدقيقة الأساسية التي تسمح مادة لإنشاء طرقها الخاصة لتبقى مرنة في درجات الحرارة القصوى.

وتشمل التطبيقات المحتملة المكونات المعرضة لظروف شديدة البرودة في قطاعات الطاقة والنقل والفضاء.

قال مؤلف الدراسة في جامعة أكسفورد، البروفيسور دونج ليو، من قسم العلوم الهندسية بجامعة أكسفورد: “على مدى عقود، كان يُنظر إلى التحول من اللدونة إلى الهشاشة على أنه قيد أساسي للمعادن المكعبة المتمحورة حول الجسم. ما أدهشنا هو أن هذه السبائك تظل تتحمل الضرر بشكل ملحوظ حتى عند 20 كلفن. ومن خلال الكشف عن كيفية عمل التوأمة والتحول الطوري معًا لتوليد اللدونة قبل حركة الخلع التقليدية، حددنا مسارًا جديدًا لتصميم معادن مكعبة محورها الجسم”. التي يمكن أن تعمل في البيئات شديدة البرودة، وستكون هذه الفئة من المواد مفيدة للغاية للمكونات التي تعاني من درجات حرارة شديدة الحرارة والبرودة في تطبيق واحد.

المرجع: “الآليات المتنافسة تعمل على تقوية السبائك الثنائية والمتوسطة الإنتروبيا bcc عند 20 كلفن” بقلم David H. Cook ، Xiaoyu Chen ، Michael O’Leary ، Satish Rao ، Wenqing Wang ، Calvin H. Belcher ، Madelyn Payne ، Pedro Borges ، Tung Lik Lee ، Arun Devaraj ، Mark Asta ، Enrique J. Lavernia ، Diran Apelian ، Andrew M. Minor ، Dong Liu ، بونيت كومار وروبرت أو. ريتشي، 14 أكتوبر 2026، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-026-11065-7

تم دعم البحث بشكل أساسي من قبل وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب العلوم، علوم الطاقة الأساسية، علوم المواد وقسم الهندسة، من خلال برنامج تحمل الأضرار في المواد الإنشائية (KC-13) في مختبر لورانس بيركلي الوطني (LBNL) بموجب العقد DE-AC02-CH11231.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.