تا حالا به این فکر کردی ماشینها چقدر میتونن سبکتر و کممصرفتر بشن اگه مواد جدیدی کشف کنن که هم قوی باشه هم سبک؟ خب، یه تیم باحال از دانشگاه میشیگان، با کمک اشعههای ایکس فوقالعاده قوی، تونستن واسه اولین بار تصاویر سهبعدی از ساختارهای خیلی ریز توی آلیاژهای منیزیم بگیرن و ببینن این فلز چطوری فشار رو تحمل میکنه و نمیشکنه!
اول داستان رو این جوری شروع کنیم که منیزیم چی داره که همه روش زوم کردن: منیزیم تقریباً 30 درصد از آلومینیوم سبکتره! یعنی اگه قطعات ماشین رو از منیزیم بسازن، ماشینها خیلی سبکتر و در نتیجه کممصرفتر میشن. البته بعضی قطعههای غیر اصلی تو ماشینا رو با منیزیم ساختن، ولی جرات استفاده گسترده نبوده، چون رفتار منیزیم زیر فشار یه کم مرموز و غیرقابل پیشبینی بوده.
خب قضیه چیه؟ هر فلزی واسه خودش یه ساختار کریستالی داره، یعنی چیدمان مرتب اتمهاش، و همین ساختار تعیین میکنه فلز چطوری وقتی کشیده یا خم میشه، واکنش نشون میده. تو این زمینه یه چیزی هست به اسم slip system. این یعنی راههایی که اتمها میتونن تو کریستال جابهجا بشن تا فلز نشکنه. مثلا فولاد و آلومینیوم، slip system زیاد دارن و اتمها کلی جهت واسه حرکت دارن. ولی منیزیم فقط چند تا راه داره، واسه همینش هم هست راحت نمیشه هر طور که بخوای فشاره بهش بیاری!
وقتی به منیزیم فشاری وارد میشه که راه slip کردن براش بستهست، ساختار عجیبی به اسم “deformation twin” درست میشه. اینو اینجوری تصور کن که یه کاغذ رو تا کرده باشی، دو طرف برش عین تصویر آیینهای هم میشن؛ تو منیزیم هم بخشی از ساختار کریستالی همین حرکت رو میزنه. کار این دوقلو شدن (twinning) اینه که اجازه میده فلز از جهات دیگه هم کش بیاد و منعطفتر بشه. ولی اگه زیادی twin درست بشه، میتونه نقطه ضعفهایی بسازه که آخرش باعث ترک برداشتن فلز میشه.
دانشمندا فهمیدن که این دوقلوییها، مخصوصاً جایی به اسم triple junction درست میشن. triple junction یعنی همون نقطهای که سه تا دانه (یا کریستال کوچیک) به هم میرسن. جالبه بدونی ایراد و ترکخوردگی هم همیشه همونجایی ظاهر میشه که twin به یه کریستال دیگه برخورد میکنه! این کشف نشون داده کنترل این اتفاقا، کلید افزایش عمر و دوام این فلز تو صنایع سنگین میتونه باشه.
حالا این عکسای سهبعدی رو چطوری گرفتن؟ محققای دانشگاه میشیگان، قبل از همه این کش و قوسها، با یه دستگاه سیتیاسکن کوچیک، جهتگیری کریستالهای نمونه رو بررسی کردن. بعد با اشعه ایکس خیلی قوی، که توی “European Synchrotron Radiation Facility” (یه آزمایشگاه فوقپیشرفته تو فرانسه که کلی تجهیزات محشر داره!) انجام شده، تونستن بدون آسیب به نمونه، تغییرات دونهدونه این کریستالها رو ببینن. اونا از تکنیکی به اسم Dark-field X-ray microscopy استفاده کردن. حالا این یعنی چی؟ یعنی با فیلتر کردنِ اشعههایی که با زاویههای خاص پخش شدن، فقط همون قسمتهایی که میخوان رو با وضوح عجیب و غریب میبینن!
نمونه رو تحت سه فشار مختلف قرار دادن: ۰.۶، ۳۰ و ۴۵ مگاپاسکال (مگاپاسکال یه واحد اندازهگیری فشاره، تو قطعات ماشین هم معمولاً همین حدود فشار بهشون میاد). بین هر مرحله، دوباره با اشعه عکس گرفتن و عملاً همینطوری تونستن لحظه به لحظه تشکیل و رشد twinها رو ببینن؛ انگار که داری مسابقه کشتی گرفتن اتمها رو از نزدیک میبینی!
داستان جذابتر میشه وقتی بدونی این تصاویر وضوح بالا، قراره کمک کنن آلیاژ منیزیم رو اونقدری تقویت کنن که هم نرمتر و هم مقاومتر بشه، پس دیگه محدودیت استفادهش تو ماشینها رو هم میتونن بردارن! محققها میخوان تو پروژه بعدی این تغییرات رو لحظهای و زنده فیلمبرداری کنن تا بفهمن دقیقاً چی کار باید کرد تا منیزیم ایدهآل رو بسازن.
این تحقیق که بودجهش رو وزارت انرژی آمریکا پرداخت کرده، تو مجله علمی “Science” منتشر شده و میتونه یه انقلاب حسابی تو صنعت خودروسازی و حتی صنایع دیگه درست کنه. آرومآروم باید منتظر ماشینهایی باشیم که هم سبکترن، هم قویتر، هم مصرف سوخت پایینتری دارن و تازه ساختنشون هم ارزونتر درمیاد!
خلاصه، حالا فهمیدی چرا همه برا آلیاژهای منیزیم اینقدر هیجانزدهان!
منبع: +
