- إنضم
- 17/9/22
- المشاركات
- 6,739
- التفاعلات
- 15,009
لوحظت الكسور الدقيقة في النحاس والبلاتين بحجم النانو تشفي نفسها من القاطرات المتكررة.
روبرت باتريك مثل T-1000 الشرير في فيلم Terminator 2: Judgment Day (1991) (رصيد الصورة: FlixPix / Alamy Stock Photo)
لأول مرة ، اكتشف العلماء أن المعدن يشفي نفسه بعد التصدع - وهي ملاحظة يمكن أن تمهد الطريق لإنشاء هياكل وروبوتات قادرة على إصلاح نفسها.
لكن بالنسبة لأولئك الذين يقلقون بشأن ظهور روبوتات Terminator الواقعية - لا تفعلوا ذلك: الآلية المكتشفة حديثًا تعمل فقط على عدد قليل من المعادن وعلى نطاقات صغيرة بشكل لا يصدق - على الأقل ، في الوقت الحالي.
قال المؤلف الرئيسي براد بويس ، عالم المواد في مختبرات سانديا الوطنية في البوكيرك ، نيو مكسيكو ،: "بالطبع ، هناك الكثير من الصناعات التي يرغب مهندسو المنتجات في ترجمة هذه النتائج إلى مناهج هندسية مقصودة لإنشاء معادن تعالج نفسها تلقائيًا في تطبيقاتنا الهيكلية". "يمكن للمعادن ذاتية الشفاء أن تكون مفيدة في مجموعة واسعة من التطبيقات من أجنحة الطائرات إلى أنظمة تعليق السيارات."
كان العلماء قد افترضوا سابقًا أن المعادن غير قادرة على إصلاح نفسها ، لكن الاكتشاف الجديد ، الذي تم التوصل إليه عن غير قصد من قبل العلماء الذين يدرسون قطع البلاتين والنحاس بحجم نانومتر ، يقلب هذا الاستنتاج.
تتعرض المعادن للتلف الناتج عن الإجهاد أو الحركة المتكررة ، مما يؤدي إلى إنشاء شبكات متنامية من الشقوق المجهرية التي يمكن أن تؤدي إلى إخفاقات كارثية للمحركات النفاثة والجسور والهياكل الحيوية الأخرى.
ولكن لا تنكسر جميع المواد تحت الضغط المتكرر: فقد ثبت أن بعض البوليمرات الحديثة وحتى الخرسانة الرومانية القديمة تعمل على إصلاح تشققاتها الدقيقة بمرور الوقت.
في عام 2013 ، استخدم فريق من الباحثين نماذج الكمبيوتر لإظهار أن المعادن قد تكون أيضًا قادرة على أداء خدعة الشفاء ، لكنهم لم يكونوا قادرين على دراسة المعادن بالمقاييس الدقيقة الضرورية لذلك لم يتمكنوا من الحصول على أي دليل حقيقي.
في الدراسة الجديدة ، التي نُشرت في 19 يوليو في مجلة Nature ، حقق العلماء في كيفية استجابة القطع المعدنية بحجم النانو للإجهاد المتكرر باستخدام جهاز يسمى مجهر الإرسال الإلكتروني. استخدم الجهاز قوة صغيرة للغاية - تعادل داس ساق البعوضة - على شكل 200 قاطرة صغيرة للمعادن كل ثانية.
في اثنين من المعادن ، النحاس والبلاتين ، ظهرت تشققات ونمت في جميع أنحاء المواد. ولكن بعد 40 دقيقة ، اندمجت المعادن معًا مرة أخرى ، دون ترك أي أثر للشقوق.
وفقًا لبويس ، يكمن تفسير هذا الإصلاح الذاتي المعجزة في عملية تسمى "اللحام البارد".
وقال بويس: "باختصار ، بالمقياس النانوي ، فإن الظروف المحلية حول طرف الشق تجعل جانبي التصدع ينضغطان على بعضهما البعض". "عند الاتصال ، يلتئم الجانبان معًا في عملية يشير إليها علماء المعادن على أنها" اللحام البارد ". لا يبدو أن هذه العملية تحدث طوال الوقت ، ولكن فقط في الحالات التي تؤدي فيها الظروف المحلية إلى حدوث تماس في الجناح."
لا يزال مدى قابلية تنفيذ ملاحظات الباحثين الجديدة غير معروف. أولاً ، لمراقبة عمليات اللحام البارد ، عزل العلماء المعادن داخل فراغ بحيث لا تتداخل ذرات الغلاف الجوي مع المعدات. هذا يعني أنهم لا يعرفون حتى الآن ما إذا كانت العملية تعمل فقط في فراغ أم لا.
وبالمثل ، فإن نطاق المعادن المحتملة التي يمكن إصلاحها ذاتيًا غير معروف أيضًا. لاحظ العلماء فقط اللحام البارد في البلاتين والنحاس ، ولكن ما إذا كانت المعادن الهيكلية شائعة الاستخدام مثل الفولاذ تؤدي أيضًا هذا العمل الفذ لم يتضح بعد.
هناك أيضًا مشكلة التحجيم. كانت المعادن المستخدمة صغيرة ومرتبة للغاية في هياكلها ؛ لا يُعرف أيضًا ما إذا كان من الممكن إقناع المعادن الكبيرة بالشفاء.
ومع ذلك ، فإن العلماء متفائلون بحذر بأن اكتشافهم يمكن أن يؤدي إلى تغييرات أساسية في الطريقة التي نبني بها الهياكل المعدنية ونصممها من أجل المتانة ، ويمكن أن يكون لها تطبيقات في رحلات الفضاء ، حيث لا تمثل جزيئات الغلاف الجوي مشكلة.
وقال بويس: "في الواقع ، نعتقد أن هذه العملية قد تحدث بالفعل إلى حد ما حتى في المعادن والسبائك العادية التي نستخدمها في حياتنا اليومية - على الأقل للشقوق تحت السطحية التي لا تتعرض للأكسجين ، وربما حتى للشقوق السطحية". "لتحقيق أقصى استفادة ، مع ذلك ، يمكننا البدء في التفكير في أقسام المواد وتصميم الهياكل المجهرية."
روبرت باتريك مثل T-1000 الشرير في فيلم Terminator 2: Judgment Day (1991) (رصيد الصورة: FlixPix / Alamy Stock Photo)
لأول مرة ، اكتشف العلماء أن المعدن يشفي نفسه بعد التصدع - وهي ملاحظة يمكن أن تمهد الطريق لإنشاء هياكل وروبوتات قادرة على إصلاح نفسها.
لكن بالنسبة لأولئك الذين يقلقون بشأن ظهور روبوتات Terminator الواقعية - لا تفعلوا ذلك: الآلية المكتشفة حديثًا تعمل فقط على عدد قليل من المعادن وعلى نطاقات صغيرة بشكل لا يصدق - على الأقل ، في الوقت الحالي.
قال المؤلف الرئيسي براد بويس ، عالم المواد في مختبرات سانديا الوطنية في البوكيرك ، نيو مكسيكو ،: "بالطبع ، هناك الكثير من الصناعات التي يرغب مهندسو المنتجات في ترجمة هذه النتائج إلى مناهج هندسية مقصودة لإنشاء معادن تعالج نفسها تلقائيًا في تطبيقاتنا الهيكلية". "يمكن للمعادن ذاتية الشفاء أن تكون مفيدة في مجموعة واسعة من التطبيقات من أجنحة الطائرات إلى أنظمة تعليق السيارات."
كان العلماء قد افترضوا سابقًا أن المعادن غير قادرة على إصلاح نفسها ، لكن الاكتشاف الجديد ، الذي تم التوصل إليه عن غير قصد من قبل العلماء الذين يدرسون قطع البلاتين والنحاس بحجم نانومتر ، يقلب هذا الاستنتاج.
تتعرض المعادن للتلف الناتج عن الإجهاد أو الحركة المتكررة ، مما يؤدي إلى إنشاء شبكات متنامية من الشقوق المجهرية التي يمكن أن تؤدي إلى إخفاقات كارثية للمحركات النفاثة والجسور والهياكل الحيوية الأخرى.
ولكن لا تنكسر جميع المواد تحت الضغط المتكرر: فقد ثبت أن بعض البوليمرات الحديثة وحتى الخرسانة الرومانية القديمة تعمل على إصلاح تشققاتها الدقيقة بمرور الوقت.
في عام 2013 ، استخدم فريق من الباحثين نماذج الكمبيوتر لإظهار أن المعادن قد تكون أيضًا قادرة على أداء خدعة الشفاء ، لكنهم لم يكونوا قادرين على دراسة المعادن بالمقاييس الدقيقة الضرورية لذلك لم يتمكنوا من الحصول على أي دليل حقيقي.
في الدراسة الجديدة ، التي نُشرت في 19 يوليو في مجلة Nature ، حقق العلماء في كيفية استجابة القطع المعدنية بحجم النانو للإجهاد المتكرر باستخدام جهاز يسمى مجهر الإرسال الإلكتروني. استخدم الجهاز قوة صغيرة للغاية - تعادل داس ساق البعوضة - على شكل 200 قاطرة صغيرة للمعادن كل ثانية.
في اثنين من المعادن ، النحاس والبلاتين ، ظهرت تشققات ونمت في جميع أنحاء المواد. ولكن بعد 40 دقيقة ، اندمجت المعادن معًا مرة أخرى ، دون ترك أي أثر للشقوق.
وفقًا لبويس ، يكمن تفسير هذا الإصلاح الذاتي المعجزة في عملية تسمى "اللحام البارد".
وقال بويس: "باختصار ، بالمقياس النانوي ، فإن الظروف المحلية حول طرف الشق تجعل جانبي التصدع ينضغطان على بعضهما البعض". "عند الاتصال ، يلتئم الجانبان معًا في عملية يشير إليها علماء المعادن على أنها" اللحام البارد ". لا يبدو أن هذه العملية تحدث طوال الوقت ، ولكن فقط في الحالات التي تؤدي فيها الظروف المحلية إلى حدوث تماس في الجناح."
لا يزال مدى قابلية تنفيذ ملاحظات الباحثين الجديدة غير معروف. أولاً ، لمراقبة عمليات اللحام البارد ، عزل العلماء المعادن داخل فراغ بحيث لا تتداخل ذرات الغلاف الجوي مع المعدات. هذا يعني أنهم لا يعرفون حتى الآن ما إذا كانت العملية تعمل فقط في فراغ أم لا.
وبالمثل ، فإن نطاق المعادن المحتملة التي يمكن إصلاحها ذاتيًا غير معروف أيضًا. لاحظ العلماء فقط اللحام البارد في البلاتين والنحاس ، ولكن ما إذا كانت المعادن الهيكلية شائعة الاستخدام مثل الفولاذ تؤدي أيضًا هذا العمل الفذ لم يتضح بعد.
هناك أيضًا مشكلة التحجيم. كانت المعادن المستخدمة صغيرة ومرتبة للغاية في هياكلها ؛ لا يُعرف أيضًا ما إذا كان من الممكن إقناع المعادن الكبيرة بالشفاء.
ومع ذلك ، فإن العلماء متفائلون بحذر بأن اكتشافهم يمكن أن يؤدي إلى تغييرات أساسية في الطريقة التي نبني بها الهياكل المعدنية ونصممها من أجل المتانة ، ويمكن أن يكون لها تطبيقات في رحلات الفضاء ، حيث لا تمثل جزيئات الغلاف الجوي مشكلة.
وقال بويس: "في الواقع ، نعتقد أن هذه العملية قد تحدث بالفعل إلى حد ما حتى في المعادن والسبائك العادية التي نستخدمها في حياتنا اليومية - على الأقل للشقوق تحت السطحية التي لا تتعرض للأكسجين ، وربما حتى للشقوق السطحية". "لتحقيق أقصى استفادة ، مع ذلك ، يمكننا البدء في التفكير في أقسام المواد وتصميم الهياكل المجهرية."
