6OqkAteT2
6OqkAteT2
6OqkAteT2
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
أبحاث<br />
أنباء وآراء<br />
فيزياء المواد المكثفة<br />
زجاج مصنوع من معدن نقي<br />
االإ نجاز التجريبي لمعادن نقية غير متبلورة يفتح الباب الإجراء الدراسات على العمليات اال أ ساسية لتَكَون<br />
الزجاج، كما يشير إلى أن البِ نَى غير المتبلورة هي أثر صيغ المادة المثفة شيوعًا.<br />
جان سكرويرز<br />
في العدد الصادر في منتصف شهر أغسطس الماضي من<br />
دورية Nature الدولية، سجَّ ل ماو وزمالؤه ، 1 طريقةً تسمح<br />
لهم بالوصول إلى هدف استعصى على علماء المواد لفترة<br />
طويلة من الزمن، وهو تكوين مواد زجاجية من معادن نقية.<br />
ستمكِّن هذه الطريقة من إجراء دراسات، لطالما احتجنا إليها،<br />
على تكوُّن الزجاج في ال أ نظمة البسيطة، كما ستسمح بإجراء<br />
نمذجة حاسوبية للعمليات ذات الصلة.<br />
ل أ سباب تتعلق بالديناميكا الحرارية، تصبح معظم المواد<br />
السائلة متبلورة حينما تبرد لدرجات حرارة تقل عن درجة حرارة<br />
"الإسالة"، وهي درجة الحرارة التي تصبح فوقها المواد سائلة<br />
بشكل كامل. يحدث التبلور في مقاييس زمنية مختلفة، ويمكن<br />
أن يتم تثبيطه بواسطة التبريد السريع للسائل، الذي يؤدي<br />
إلى تكوّن زجاج . 2 وتحدث عملية التزجيج للمواد المختلفة<br />
بمعدلت تبريد حَ رِجة ( c R( متباينة بدرجة كبيرة، الحد ال أ دنى<br />
لمعدل التبريد الضروري لتكوين زجاج.<br />
تم تسجيل تكوُّن زجاج في حالة السبائك المعدنية من<br />
قَبل . 3 وتزيد مقدرة السبيكة على تكوين الزجاج مع زيادة<br />
عدد مكوناتها، خصوصً ا إذا ما احتوت على عناصر تختلف<br />
أحجامها الذرية بنسبة تزيد على %12، وإذا ما كان ثمة دافع<br />
ثرموديناميكي لمتزاج هذه العناصر . 4 تتميز بعض السبائك<br />
التي تبدي هذه الخواص، والتي تُعرف باسم زجاج الكتلة<br />
المعدني، بمقدرات عالية على تكوين الزجاج, وتصل قيمة<br />
معدلت التبريد الحرجة الخاصة بها إلى قيم تقل عن 1000<br />
كِلفن في الثانية )أي أن معدل تبريدها يقارب المعدل<br />
الضروري لتكوين البوليمرات غير المتبلورة(. لهذه<br />
المواد أيضً ا سُ مك صبٍّ حرج - وهو السُّ مك ال أ كبر<br />
الذي يمكن عنده استخالص الحرارة بدرجة تكفي<br />
لتفادي التبلور - تزيد قيمته على مليمتر واحد. وحتى<br />
الوقت الحاضر، تم تسجيل تكوُّن مئات السبائك<br />
المعقدة من زجاج الكتلة المعدني.<br />
ل تستوفي المعادن النقية الشروط المذكورة<br />
أعاله، ل أ نها تفتقد التعقيد الضروري "لتشويش"<br />
عملية التبلور . 5 ونتيجة لذلك.. كان يُنظَر إلى هذه<br />
المواد باعتبارها مواد ذات مكونات ضعيفة للزجاج . 6<br />
وحتى تقنيات التبريد الفوري المتقدمة كانت بطيئة<br />
جدًّ ا لتفادي تبلور المعادن النقية السائلة، ما عدا في<br />
بعض الحالت الستثنائية . 7 استحدث ماو وزمالؤه<br />
ال آ ن طريقة تسخين وتبريد فائقة السرعة، تسمح<br />
بتزجيج المعادن النقية السائلة.<br />
استخدم المؤلفون أداة تسخين نانوية تجمع بين<br />
قمّ تين معدنيّتين، يصل طول كليهما إلى 100 نانومتر.<br />
وتم إنجاز التسخين باستخدام نبضة كهربية قصيرة<br />
)استمرت لمدة 4 نانوثانية(، قامت بصهر القمتين<br />
بصورة فورية. تشتّتت بعد ذلك الحرارة بسرعة عبر<br />
العينة المصهورة في اتجاه ال أ داة، مستحثةً معدلت<br />
تبريد تقارب 10 14 كِلفن في الثانية عند مركز العيِّنة.<br />
تنبأ الباحثون بحدوث هذه المعدلت المرتفعة<br />
للتبريد على أساس النمذجة الجزيئية-الديناميكية، وقد تسببت<br />
في حدوث تزجيج لجزء من المعادن النقية يصل حجمه إلى<br />
ما يقارب 40 نانومترًا في 50 نانومترًا.<br />
والزجاج المعدني مطلوب للتطبيقات التجارية، ل أ نه يُظْهِ ر<br />
خصائص ميكانيكية جذابة، مثل القوة العالية، والمرونة،<br />
وسهولة المعالجة . 8 وتمثل نشأة تكوين الزجاج المعدني،<br />
والتقدم في الطرق التي تسمح بدراسة الحالة السائلة للمعادن<br />
عند المقاييس الزمنية البطيئة، التي يمكن إجراء التجارب<br />
عندها، مصدرَ إثارة بالنسبة إلى العلوم ال أ ساسية. وقد<br />
مكَّ نت هذه التطورات من دراسة خواص السوائل المعدنية،<br />
واستقصاء انتقالها إلى الحالتين المتبلورة والزجاجية، ولكن<br />
حقيقة الحتياج السابق إلى سبائك متعددة المكونات لتكوين<br />
الزجاج عقّدت من دراسة الزجاج المعدني.<br />
في ال أ نظمة متعددة المكونات، يعتمد تكوُّن الزجاج على<br />
الفروق ذَرِّيَّة الحجم، وعلى التجاذب ما بين ذرات العناصر<br />
المختلفة. ويتأثر تكون الزجاج كذلك بحقيقة أن التبلور في<br />
السبائك عادة ما يتطلب تغيير التركيب الذري، وهو انتشار<br />
طويل المدى لإ رساء الفرق في التركيب ما بين السائل والطور<br />
المتبلور النامي. ويستغرق هذا التبلور فترة زمنية طويلة، كما<br />
أنه يبطئ من عملية التبلور، ال أ مر الذي يسهل من تكوُّن الزجاج.<br />
وكل ذلك يعتم ال أ وجه الرئيسة والشائعة للتزجيج، التي يمكن<br />
مالحظتها في ال أ نظمة البسيطة. ويسمح الفتح العلمي الذي<br />
أنجزه ماو وزمالؤه بدراسة تكوُّن الزجاج في أكثر صيغِ هِ نقاءً،<br />
كما أن نتائجهم تؤكد التنبؤات النظرية، وتنبؤات النمذجة،<br />
التي تقول بإمكانية تكوُّن الزجاج في المعادن النقية.<br />
بلورة<br />
تسخين<br />
سائل<br />
تبريد<br />
بلورة<br />
السطح البيني بين<br />
البلورة والسائل<br />
درس هؤلء الباحثون المعادن التي تتراصّ ذراتها على هيئة<br />
مكعبة مركزية الجسم )bcc( في الطور المتبلور الصلب،<br />
لكنْ ما الذي يمكن أن يحدث للمعادن التي تأخذ بِنًى بلورية<br />
مختلفة، من قبيل الهيئة المكعبة مركزية الوجه )fcc(؟ يتم<br />
تحديد تكوُّن الزجاج فقط بالنمو البلوري في أداة التسخين<br />
التي استخدمها ماو وزمالؤه، كما أن معدلت النمو البلوري<br />
تكون أبطأ بالنسبة لبلورات البِ نَى المكعبة مركزية الجسم عند<br />
مقارنتها ببلورات البِ نَى المكعبة مركزية الوجه. لذلك.. يُتوقع<br />
أن تكون قِ يَم معدلت التبريد الحرجة للمعادن ذات البِ نَى<br />
المكعبة مركزية الوجه أعلى حتى من تلك التي سجّ لها ماو<br />
وزمالؤه للمعادن النقية ذات البِ نَى المكعبة مركزية الجسم.<br />
تتضمن عملية التبلور في صيغتها ال أ كثر عمومً ا تكوُّن النواة<br />
- التكوين البتدائي لبلورات دقيقة النواة - والنمو. ويتنافس<br />
تكوين الزجاج مع مزيج من هاتين العمليتين، إل أن التبلور<br />
يتقدم عبر النمو في الطور السائل، دون المبرد للسطح البيني<br />
بين البلورة والسائل في تجارب ماو وزمالئه )الشكل 1(. ولذلك..<br />
ل يعتمد النمو البلوري على تكوين النواة في نظامهم، وهو ما<br />
يعني أن قِ يَم التبريد الحرجة التي سجلها المؤلفون هي على<br />
ال أ رجح تقديرات زائدة للصيغة ال أ كثر عمومً ا من التزجيج في<br />
المعادن ذات البِ نَى المكعبة مركزية الجسم. ولإشراك عملية<br />
تكوين النواة، ينبغي تفادي الحتكاك المباشر ما بين الطور<br />
السائل، والحدّ البلوري. سيسمح التحقيق التجريبي لما سبق<br />
بدراسة المراحل المبكرة من عملية تكوين النواة، وهي أحد<br />
أكبر ألغاز علم الفيزياء.<br />
تم الستقصاء التجريبي لتكوُّن الزجاج في العادة على<br />
عيِّنات كبيرة تزيد عن 10 8 ذرّات, وعند مقاييس زمنية طويلة<br />
تزيد عن ميكروثانية. وعلى العكس، اقتصرت المحاكاة<br />
الجزيئية الديناميكية على عينات صغيرة تقل عن 10 5 ذرّات،<br />
ودُرِسَ ت عند فترات زمنية قصيرة )تقل عن 1 نانوثانية(،<br />
بسبب القيود التي تفرضها القوة الحاسوبية المتاحة.<br />
لذلك.. كانت مقدرتنا على التنبؤ بالنتائج التجريبية لمثل<br />
هذه المحاكاة محدودة، بسبب تأثر خواص الزجاج المعدني<br />
بحجم العينة 9 ومعدّ لت التبريد . 10 تسمح لنا طريقة ماو<br />
وزمالئه ال آ ن بإجراء تجارب عند مقاييس مكانية وزمنية شبيهة<br />
بتلك التي تستخدم في المحاكاة. وهذا يفسح<br />
الطريق أمام استكشاف تكوُّن الزجاج ومنافسته<br />
للتبلور. وبال أ خذ في العتبار أن التزجيج سبقت<br />
مالحظته في صهر ال أ يونات، والمحاليل المائية،<br />
وصهر السبائك، والسوائل الجزيئية، والبوليمرات،<br />
فإن النتائج التي توصلت إلى إمكانية أن تصبح<br />
المعادن النقية زجاجً ا تبيِّن أن البِ نَى غير المتبلورة<br />
هي الهيئات ال أ كثر شيوعًا للمادة المكثفة. ■<br />
جان سكرويرز يعمل بقسم الهندسة الميكانيكية<br />
وعلم المواد بجامعة ييل، نيو هيفن، كونّيتيكت<br />
06511، الوليات المتحدة أ المريكية.<br />
اليد الإ لك<br />
و : jan.schroers@yale.edu<br />
<br />
5 nm<br />
الشكل | 1 المعدن النقي يكوّن زجاجً ا عبر التبريد فائق السرعة. توضح الصورة<br />
الميكروية جزءًا من تانتالوم مصهور بين منطقتين متبلورتين. يذكر ماو وزمالؤه 1 أن<br />
المناطق المتبلورة تنمو في اتجاه المناطق السائلة )ال أ سهم الزرقاء( عند التبريد<br />
السريع، إلى أن تعجز حركات النمو عن مواكبة المجال الحراري الذي يحدده<br />
معدل التبريد. بعد ذلك، "يتجمد" السائل الموجود في مقدمة السطح البيني<br />
في هيئة زجاج. وعند التسخين، يتحرك السطح البيني بين البلورة والسائل تجاه<br />
ال أ قسام المتبلورة من العيِّنة )ال أ سهم الحمراء(.<br />
SCOTT X. MAO<br />
1. Zhong, L., Wang, J., Sheng, H., Zhang, Z. &<br />
Mao, S. X. Nature 512, 177–180 (2014).<br />
2. Angell, C. A. Science 267, 1924–1935 (1995).<br />
3. Klement, W., Willens, R. H. & Duwez, P.<br />
Nature 187, 869–870 (1960).<br />
4. Inoue, A. Acta Mater. 48, 279–306 (2000).<br />
5. Greer, A. L. Nature 366, 303–304 (1993) .<br />
6. Turnbull, D. Contemp. Phys. 10, 473–488 (1969).<br />
7. Bhat, M. H. et al. Nature 448, 787–790 (2007).<br />
8. Schroers, J. Phys. Today 66, 32–37 (2013).<br />
9. Volkert, C. A., Donohue, A. & Spaepen, F.<br />
J. Appl. Phys. 103, 083539 (2008).<br />
10. Kumar, G., Neibecker, P., Liu, Y.-H. & Schroers,<br />
J. Nature Commun. 4, 1536 (2013).<br />
| 72 أكتوبر | 2014 الطبعة العربية تُطبع المجلة بدعم من مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية<br />
© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved
Change language