کشف نظم شیمیایی پنهان در فلزات توسط MIT؛ دگرگونی در طراحی آلیاژهای پیشرفته

فرضیات سنتی در مقابل یافته‌های جدید

برای دهه‌ها، دانشمندان بر این باور بودند که الگوهای شیمیایی ظریف موجود در آلیاژهای فلزی، در طول فرآیندهای تولید از بین می‌روند یا تأثیر قابل توجهی بر ویژگی‌های نهایی مواد ندارند. با این حال، آزمایش‌های دقیق تیم تحقیقاتی MIT نشان داد که این نظم‌های اتمی نه تنها حفظ می‌شوند، بلکه به طور مستقیم بر مجموعه‌ای از خواص کلیدی مواد تأثیر می‌گذارند:

• استحکام مکانیکی و دوام
• ظرفیت گرمایی
• مقاومت در برابر تابش

نتایج این پژوهش که در نشریه معتبر Nature Communications منتشر شده است، یک پدیده فیزیکی تازه را معرفی می‌کند که توضیح می‌دهد چرا این الگوهای شیمیایی حتی در حالت‌های غیرتعادلی ماده نیز پابرجا می‌مانند.

رودریگو فریتاس، استاد گروه علم و مهندسی مواد MIT و نویسنده مسئول این پژوهش، تأکید می‌کند: «نتیجه این است که شما هرگز نمی‌توانید اتم‌ها را در فلز به‌طور کامل تصادفی کنید. مهم نیست فلز را چگونه پردازش می‌کنید؛ همیشه نوعی نظم پنهان باقی می‌ماند. این نخستین پژوهش است که نشان می‌دهد حالت‌های ناپایدار (غیرتعادلی) می‌توانند در فلز حفظ شوند.»

رمزگشایی از پدیده دور از تعادل

پرسش ابتدایی گروه پژوهشی این بود که عناصر شیمیایی در هنگام فرآیندهای فلزکاری با چه سرعتی با یکدیگر مخلوط می‌شوند. بر اساس باور رایج، ترکیب شیمیایی فلزات باید در مرحله‌ای از تولید کاملاً یکنواخت شود، اما شبیه‌سازی‌های دقیق مبتنی بر یادگیری ماشین (Machine Learning) نشان داد که فلزات هرگز به حالت اختلاط کامل نمی‌رسند.

فریتاس توضیح می‌دهد که فرآیندهای صنعتی شدید مانند نورد و حرارت‌دهی مکرر، که تصور می‌شد پیوندهای شیمیایی را شکسته و نظم اتمی را از بین می‌برند، در عمل الگوهای مشخصی از نظم را باقی می‌گذارند. تیم MIT با طراحی ابزارهای محاسباتی جدید و شبیه‌سازی‌های مولکولی در مقیاس وسیع، الگوهای کاملاً جدیدی را مشاهده کردند که پیش از این هرگز در خارج از شرایط تولید صنعتی دیده نشده بود؛ این حالت‌ها، «حالت‌های دور از تعادل» (far-from-equilibrium states) نامیده شدند.

نقش نقص‌های ساختاری در ایجاد نظم

برای توضیح این پدیده، تیم MIT مدلی ساده توسعه داد که نشان می‌دهد این الگوها از نقص‌های ساختاری موسوم به جابجایی‌ها (dislocations) ناشی می‌شوند. این جابجایی‌ها، که نواحی پیچیده‌ای در شبکه فلزی هستند، هنگام تغییر شکل فلز موجب جابه‌جایی اتم‌ها می‌شوند. با این حال، این جابه‌جایی‌ها تصادفی نیستند؛ نقص‌ها ترجیحات شیمیایی دارند و تمایل دارند پیوندهای ضعیف‌تر را بشکنند تا انرژی کمتری مصرف شود. این رفتار منجر به ایجاد نوعی نظم پنهان به جای بی‌نظمی کامل می‌شود.

مسیر تازه در طراحی مواد پیشرفته

این کشف راه را برای طراحی نسل جدیدی از آلیاژهای فوق‌سخت و سبک هموار می‌کند. تیم تحقیقاتی MIT همچنین یک مدل ساده محاسباتی توسعه داده است که می‌تواند الگوهای شیمیایی را پیش‌بینی کرده و به مهندسان کمک کند تا از این دانش برای تنظیم دقیق خواص فلزات در صنایع حساس بهره ببرند. کاربردهای این کشف شامل بخش‌های زیر است:

• صنایع هوافضا
• تولید نیمه‌هادی‌ها
• ساخت راکتورهای هسته‌ای

فریتاس در پایان می‌افزاید: «اکنون مهندسان می‌توانند درک کنند که چگونه اتم‌ها در فرآیندهای تولید واقعاً حرکت و ترکیب می‌شوند. این آگاهی کلید آن است که بتوانیم موادی بسازیم که هم استحکام بالا داشته باشند و هم چگالی پایین؛ هدفی که می‌تواند تأثیری بزرگ بر آینده صنایع فلزی بگذارد.»