اكتشف باحثون طريقة غير متوقعة لتغيير البنية الداخلية لمعدن الموليبدينوم شديد المقاومة للحرارة، باستخدام ضغط موضعي دقيق في درجة حرارة الغرفة، من دون الحاجة إلى تسخين المعدن إلى درجات حرارة مرتفعة كما كان يتطلب الأمر سابقاً.
وبحسب دراسة أجراها باحثون من جامعة روتشستر الأميركية ومعهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا، فإن الضغط بطرف ماسي بالغ الدقة على سطح الموليبدينوم يمكن أن يعيد ترتيب حبيباته البلورية، ما يتيح تغيير خصائصه الميكانيكية وإصلاح مناطق متضررة منه.
ونشر موقع جامعة روتشستر تفاصيل الاكتشاف في 9 تشرين الثاني، موضحاً أن التجارب والنماذج الحاسوبية كشفت آلية مختلفة عما توقعه الباحثون في البداية، وأن النتائج نُشرت في مجلة "Proceedings of the National Academy of Sciences".
ضغط دقيق بدلاً من حرارة شديدة
يُعد الموليبدينوم من المعادن شديدة المقاومة للحرارة، إذ تتجاوز درجة انصهاره 2600 درجة مئوية. ويُستخدم في تطبيقات تتطلب تحمل ظروف قاسية، من بينها المفاعلات النووية وشفرات توربينات المحركات النفاثة وفوهات الصواريخ.
وتكمن أهمية الاكتشاف في أن إعادة تبلور هذا المعدن وتغيير بنيته الداخلية كانا يتطلبان عادة تسخينه إلى نحو ألف درجة مئوية أو أكثر.
لكن الباحثين وجدوا أن استخدام أداة دقيقة تُعرف باسم "Nanoindenter"، مزودة بطرف ماسي، يسمح بإحداث ضغط شديد في مساحة صغيرة جداً من المعدن، بما يؤدي إلى إعادة تشكيل الحبيبات البلورية عند درجة حرارة الغرفة.
وتتطلب العملية دقة كبيرة في التحكم بالقوة المطبقة. فعندما يضغط الطرف الماسي على سطح المعدن، تحدث حركة سريعة تُعرف باسم "Pop-in"، تؤدي إلى بدء إعادة التبلور. لكن استمرار الضغط إلى ما بعد هذه المرحلة قد يؤدي إلى اختفاء الحبيبات الجديدة.
ولذلك، فإن إيقاف الضغط مباشرة بعد حدوث هذه الحركة يسمح بتكوين حبيبات بلورية جديدة في المنطقة المحيطة بموضع الضغط، من دون التأثير في بقية العينة.
وقالت أفنان مصطفى، طالبة الدكتوراه في الهندسة الميكانيكية ضمن مختبر الباحثة نياز عبد الرحيم، إن إصلاح عينة معدنية متضررة أو تكوين حبيبات جديدة كان يتطلب سابقاً تسخين العينة بأكملها إلى ألف درجة مئوية أو أكثر، فيما تظهر التقنية الجديدة إمكانية تحقيق ذلك من خلال تحديد موضع الضغط ومقداره واللحظة المناسبة لإيقافه.
لماذا يهم ذلك صناعة الرقائق الإلكترونية؟
لا تقتصر أهمية الموليبدينوم على استخداماته في الصناعات الثقيلة، إذ يدرسه مصنعو أشباه الموصلات باعتباره مادة محتملة لصناعة الوصلات الكهربائية الدقيقة داخل الرقائق الإلكترونية، وهي الأسلاك الصغيرة التي تربط ملايين المكونات في الشريحة الواحدة.
ومع تزايد احتياجات أنظمة الذكاء الاصطناعي إلى قدرات حوسبة أكبر، تتجه صناعة أشباه الموصلات إلى تطوير رقائق أصغر وأكثر قوة، ما يدفع الباحثين إلى البحث عن بدائل للنحاس المستخدم حالياً في هذه الوصلات.
وتوضح مصطفى أن مقاومة النحاس الكهربائية ترتفع عندما تصبح أبعاده صغيرة جداً، ما يضعف قدرة التيار الكهربائي على التدفق عبره، بينما لا يواجه الموليبدينوم المشكلة نفسها بالدرجة ذاتها، الأمر الذي يجعله مادة واعدة للجيل المقبل من الوصلات الدقيقة.
لكن الموليبدينوم يعاني بدوره من عيب مهم، إذ يمكن أن ينكسر بصورة مفاجئة في درجة حرارة الغرفة، رغم قدرته العالية على تحمل الحرارة.
ويأمل الباحثون أن تتيح إعادة تشكيل حبيباته البلورية في درجة حرارة الغرفة تحسين خصائصه الميكانيكية، ومعالجة بعض نقاط ضعفه، بما يوسع نطاق استخداماته في الصناعات الإلكترونية.
اكتشاف لم يكن متوقعاً
وقالت نياز عبد الرحيم، الأستاذة المشاركة في قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة روتشستر، إن الفريق كان يفترض أن الضغط الشديد على الموليبدينوم سيؤدي إلى تحوله إلى طور صلب جديد، لكنه اكتشف بدلاً من ذلك آلية مختلفة تحركها الإجهادات الميكانيكية.
وتؤثر حبيبات المعدن البلورية، من حيث الحجم والشكل والاتجاه، في خصائصه، بما فيها القوة والليونة. وبالتالي، فإن القدرة على التحكم بهذه الحبيبات تفتح المجال لتعديل سلوك المادة من دون الحاجة إلى تغيير كامل العينة أو تعريضها لحرارة شديدة.
ويرى الباحثون أن التقنية قد تساعد في إصلاح العيوب ضمن عينات أكبر من الموليبدينوم، عبر إعادة تشكيل المنطقة المتضررة وحدها، مع إبقاء بقية المادة على حالها.
ومع ذلك، لا تزال النتائج في إطار البحث العلمي والتجارب، ويحتاج استخدامها في التطبيقات الصناعية إلى مزيد من الدراسة، خصوصاً للتحقق من مدى قدرتها على تحسين مقاومة الموليبدينوم للكسر وتطوير أدائه في الرقائق الإلكترونية.
وقد حصل البحث على دعم من المؤسسة الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة.
أخبار متعلقة :