مسِ پولادین در راه است؛ آلیاژی انقلابی با مقاومت بی‌ نظیر در برابر حرارت

به گزارش بخش اخبار علمی زوم تک ,دانشمندان و مهندسان به تازگی گامی بزرگ در علم مواد برداشته‌اند و موفق به ساخت آلیاژی جدید بر پایه مس شده‌اند که خواصی شگفت‌ انگیز از خود نشان می‌دهد. این دستاورد نوآورانه، که از مقاومت به مراتب بالاتر از فولاد برخوردار است و توانایی تحمل دماهای بسیار شدید را دارد، می‌تواند تحولی عظیم در صنایع مختلف از جمله هوافضا، خودروسازی و الکترونیک ایجاد کند. ساخت این آلیاژ پیشرفته، دریچه‌ای نو به سوی طراحی و ساخت قطعات با عملکرد بالاتر و طول عمر بیشتر می‌گشاید و امکان استفاده از مس را در کاربردهایی فراهم می‌سازد که پیش از این غیرممکن به نظر می‌رسید.

انقلاب در علم مواد: دانشمندان آلیاژ مسی ساختند که از فولاد هم محکم تر است

در عرصه همیشه در حال پیشرفت علم و مهندسی، جستجو برای یافتن یا ساخت موادی با خواص منحصر به فرد که بتوانند محدودیت های فناوری های موجود را کنار بزنند، همواره یکی از مهم ترین اهداف بوده است. موادی که همزمان هم بسیار مقاوم باشند، هم بتوانند دماهای بالا را تحمل کنند، و هم شاید خواص دیگری مانند رسانایی الکتریکی یا حرارتی بالا داشته باشند، گنجینه های واقعی در دنیای صنعت و فناوری محسوب می شوند. در همین راستا، خبر بسیار هیجان انگیزی از دنیای تحقیقات مواد به گوش رسیده است: دانشمندان موفق به ساخت آلیاژی جدید از مس شده اند که نه تنها مقاومت فوق العاده ای دارد، بلکه در مقایسه با فولاد که به استحکام خود شهرت دارد، قوی تر عمل می کند و می تواند راه را برای ساخت نسل جدیدی از هواپیماها، فضاپیماها و تجهیزات صنعتی هموار کند.

این دستاورد بزرگ، حاصل تلاش پژوهشگران در دانشگاه های معتبر، از جمله دانشگاه لهای در پنسیلوانیا و دانشگاه ایالتی اریزونا است. آنها برای اولین بار در تاریخ، موفق به خلق آلیاژی بر پایه مس شده اند که به معنای واقعی کلمه، یکی از مقاوم ترین مواد ساخته شده تا امروز در خانواده فلزات مسی محسوب می شود. این آلیاژ تازه، ترکیبی هوشمندانه و دقیق از سه عنصر مس، تانتالوم و لیتیوم است که در مقیاس نانو طراحی و مهندسی شده است. طراحی در مقیاس نانو به این معناست که آرایش اتم ها و ریزساختار ماده با دقت بی سابقه ای کنترل شده تا خواص مورد نظر به دست اید. هدف از این طراحی پیچیده در ابعاد بسیار ریز، این بوده که ماده حاصل بتواند در برابر دماها و تنش های مکانیکی فوق العاده شدید مقاومت کند. پتانسیل این الیاژ جدید برای کاربردهای حیاتی و حساس در صنایعی مانند هوافضا، دفاعی و بخش های مختلف صنعتی که نیاز به مواد با کارایی بالا دارند، بسیار چشمگیر است.

پروفسور مارتین هارمر، یکی از اساتید برجسته مهندسی در دانشگاه لهای و از محققان اصلی این پژوهش، در اظهار نظری در این باره گفت: “این واقعا یک پیشرفت علمی پیشرو است. ما توانستیم ماده ای جدید بسازیم که رسانایی الکتریکی و حرارتی عالی مس را با استحکام و دوامی ترکیب می کند که معمولا تنها در ابرآلیاژهای مبتنی بر نیکل مشاهده می شود.” این جمله اهمیت کشف را به خوبی نشان می دهد؛ چرا که معمولا بین استحکام و رسانایی در فلزات نوعی سازش وجود دارد و دستیابی به هر دو در سطح بالا بسیار دشوار است.

یکی از ویژگی های برجسته این آلیاژ جدید، علاوه بر پایداری مکانیکی و حرارتی بالا، قابلیت رسانایی بالای ان است. در حال حاضر، موادی که به طور گسترده در محیط هایی با تنش های بالا و دماهای شدید مورد استفاده قرار می گیرند، مانند بخش های داغ موتورهای توربین گازی یا تجهیزات مورد استفاده در فرایندهای شیمیایی تحت فشار و دمای بالا، معمولا ابرآلیاژهای مبتنی بر نیکل هستند. این ابرآلیاژها به دلیل استحکام فوق العاده، مقاومت بالا در برابر خوردگی و قابلیت تحمل دماهای بسیار بالا شناخته شده اند. آنها ستون فقرات بسیاری از صنایع مدرن مانند هواپیمایی و تولید انرژی هستند.

اما ابرآلیاژهای مبتنی بر نیکل یک نقطه ضعف عمده دارند: رسانایی الکتریکی انها پایین است. این محدودیت می تواند استفاده از آنها را در برخی کاربردهای خاص که همزمان نیاز به مقاومت مکانیکی و حرارتی بالا و همچنین رسانایی خوب دارند، محدود کند. برای مثال، در قطعات الکترونیکی که در محیط های با دمای بالا کار می کنند یا در کاربردهایی که نیاز به انتقال حرارت کارامد از بخش های داغ وجود دارد، رسانایی پایین می تواند مشکل ساز شود.

محققان برای غلبه بر این مشکل و دستیابی به ماده ای که هر دو خاصیت را داشته باشد، رویکرد نوینی را در پیش گرفتند. همانطور که در تصویر منتشر شده توسط دانشگاه لهای دیده می شود (تصویری که اتم های مس نارنجی، تانتالوم زرد و لیتیوم ابی هستند)، ساختار این الیاژ جدید به صورت لایه ای یا “ساندویچ مانند” است. آنها ریزرسوب هایی از ترکیب مس-لیتیوم را بین دو لایه نازک و پایدار از عنصر تانتالوم قرار دادند. تانتالوم یک فلز انتقالی با مقاومت بسیار بالا در برابر خوردگی است و استفاده از ان در این ساختار لایه ای، به پایداری کلی آلیاژ کمک می کند.

سپس، تیم تحقیقاتی ساختار به دست آمده را با افزودن مقدار بسیار اندکی عنصر لیتیوم بیشتر، اصلاح کردند. این افزودن دقیق لیتیوم باعث شد که ساختار این ریزرسوب های مس-لیتیوم در داخل آلیاژ به صورت مکعب های بسیار ریز و پایداری در بیاید. این مکعب های نانومتری پایدار نقش کلیدی در تقویت استحکام و به خصوص مقاومت حرارتی آلیاژ نهایی ایفا می کنند. پایداری این ساختار در مقیاس نانو، حتی در دماهای بالا، از تغییر شکل یا تخریب الیاژ جلوگیری می کند.

پروفسور کران سولانکی، استاد مهندسی از دانشگاه ایالتی اریزونا و یکی دیگر از نویسندگان اصلی این مقاله علمی، توضیح جالبی در مورد نحوه عملکرد این ماده در برابر دماهای بالا ارائه می دهد. او این پدیده را به تشخیص بیماری مانند سرطان در بدن انسان تشبیه می کند. همانطور که پزشکان به دنبال “اثر انگشت” تغییرات سلولی ناشی از جهش ها برای شناسایی سرطان می گردند، دانشمندان مواد نیز به دنبال “اثر انگشت” تغییرات ریزساختاری در مواد هستند که در نتیجه رویدادهایی مانند تابش، گرما یا تنش های مکانیکی ایجاد می شوند. این تغییرات ریزساختاری در واقع نشانه هایی از آسیب و تخریب ماده در سطح اتمی و مولکولی هستند. پروفسور سولانکی می گوید با ایجاد رسوبات مس-لیتیوم در کنار لایه پایدار تانتالوم، محققان موفق شدند ساختار ماده را طوری دستکاری و مهندسی کنند که این “اثر انگشت آسیب” که معمولا در دماهای بالا در مواد فلزی ظاهر می شود، تغییر کند یا به عبارت دیگر، ماده در برابر ایجاد این نشانه های تخریب مقاومت بیشتری از خود نشان دهد. این رویکرد هوشمندانه باعث شد که ماده جدید مقاومت بسیار بالاتری در برابر تخریب ناشی از حرارت شدید از خود نشان دهد.

نتیجه تمام این مراحل دقیق تحقیق و مهندسی، ماده ای استثنایی با ترکیبی چشمگیر از ویژگی هاست که تا پیش از این دستیابی به آنها در یک ماده واحد بسیار دشوار بود. علاوه بر رسانایی الکتریکی عالی که از پایه مسی ان ناشی می شود و نقطه ضعف ابرآلیاژهای نیکلی را پوشش می دهد، این الیاژ می تواند دماهایی تا ۸۰۰ درجه سانتی گراد را بدون از دست دادن خواص حیاتی خود تحمل کند. این دما برای بسیاری از کاربردهای دما بالا در صنایع مختلف کافی و حتی فراتر از نیاز است. مهمتر از ان، مقاومت مکانیکی این الیاژ حیرت اور است. در دمای اتاق، این ماده می تواند فشار حداکثری ۱۱۲۰ مگاپاسکال را قبل از شکست تحمل کند. برای درک بهتر این عدد، لازم است بدانید که این مقدار بیش از یک و نیم برابر حداکثر فشاری است که فولادهای معمولی می توانند تاب بیاورند. این مقاومت مکانیکی استثنایی، الیاژ جدید را در رده مواد فوق مقاوم قرار می دهد.

پژوهشگران تاکید می کنند که ترکیب این ویژگی های برتر در یک ماده واحد به این معناست که می توان از ان در طیف گسترده ای از کاربردهای بسیار حیاتی و پیشرفته بهره برد. پروفسور هارمر افزود: “این دستاورد، یک پایه قوی و محکم برای صنایع دفاعی و صنعتی فراهم می کند تا بتوانند از ان برای ساخت مواد جدید مورد نیاز در فناوری های اینده استفاده کنند. فناوری هایی مانند وسایل نقلیه مافوق صوت که در سرعت های بسیار بالا حرکت می کنند و با حرارت و فشار فوق العاده ای روبرو هستند، یا موتورهای توربینی با کارایی بالاتر که نیاز به تحمل دماها و تنش های بیشتری دارند، می توانند از این الیاژ جدید به شدت سود ببرند.”

ساخت این آلیاژ تنها یک کشف اتفاقی نیست؛ بلکه نتیجه سال ها تحقیق در زمینه متالورژی و علم مواد در مقیاس نانو است. این موفقیت نشان می دهد که با درک عمیق رفتار مواد در سطح اتمی و کنترل دقیق ساختار انها، می توان موادی با خواص مهندسی شده و منحصر به فرد خلق کرد که محدودیت های مواد سنتی را از بین می برند. این کشف نه تنها به خودی خود ارزشمند است، بلکه راه را برای تحقیقات اینده در زمینه طراحی و ساخت آلیاژهای فلزی جدید با ترکیبات و ساختارهای نانومتری دیگر باز می کند که می توانند خواص حتی بهتری را برای کاربردهای پیشرفته تر در آینده ارائه دهند. این گامی بزرگ رو به جلو در مسیر توسعه مواد با کارایی بالا برای دنیای فناوری فردا است.