وقت جديد للتيتانيوم (3)

التيتانيوم النانوي

(تابع)

في الآونة الأخيرة، قام ماينور وروبرت ريتشي، أستاذا علوم المواد والهندسة الميكانيكية، بتطوير طريقة رائدة لمعالجة المواد السائبة لصنع تيتانيوم نقي أقل تكلفة وينتج معدنًا يتمتع بقدر أكبر من قوة الشد والليونة.

الأساتذة داريل كرزان، ومارك أستا، وأندرو مينور يقفون بجانب المجهر الإلكتروني لفريق TEAM I

أساتذة علوم وهندسة المواد (من اليسار) داريل كرزان، ومارك أستا، وأندرو مينور مع مشروع TEAM I (المجهر المصحح للانحراف الإلكتروني) في المركز الوطني للمجهر الإلكتروني التابع لمختبر بيركلي. (تصوير آدم لاو / هندسة بيركلي)

وبصرف النظر عن السبائك، هناك طريقة أخرى لتقوية المعادن الهيكلية وهي تصميم حجم البلورات - المعروفة أيضًا باسم الحبوب - التي يتكون منها المعدن باستخدام الحرارة والمعالجة الميكانيكية، مثل الدرفلة أو الضغط. ومن خلال تقليل حجم الحبوب إلى أقل من الميكرومتر أو النانومتر، يمكن للباحثين تقديم ما يسمى بالهياكل النانوية، أو العيوب في المعدن الناجمة عن الهياكل البلورية المتراصفة. تعمل الهياكل النانوية على تحسين القوة وتقليل خطر الكسر من خلال العمل كحاجز أمام الانزلاقات المستوية. يقول مينور إنه من خلال تصميم المسافات بين الهياكل النانوية وتوجيهها، يمكن تحسين الخواص الميكانيكية بشكل أكبر. لكن الأساليب التقليدية للقيام بذلك ليست تافهة ولا رخيصة.

وبدلاً من ذلك، قدم مينور وريتشي وزملاؤه هياكل متعددة النانوية في التيتانيوم النقي عن طريق عملية ميكانيكية التبريد. واستخدموا قطعًا مكعبة الشكل من التيتانيوم تم ضغطها على ثلاثة جوانب في النيتروجين السائل. يقول مينور إن الضغط اللطيف يتحكم في كثافة الهياكل النانوية التي تقوي المعدن مع الحفاظ على بنيته الحبيبية الأولية. وأفضل ما في الأمر هو أن العملية لا تعتمد على الحرارة الشديدة وربما تكون طريقة أكثر استدامة لصنع التيتانيوم لمجموعة واسعة من التطبيقات أكثر من اليوم.

إن الخصائص الميكانيكية للمادة المشكلة بالتبريد، وخاصة القوة والليونة، تصمد عند درجات حرارة عالية للغاية وكذلك درجات حرارة مبردة. يقول مينور إن أداء التيتانيوم ثنائي النانو يجعله مثاليًا لأشياء مثل المحركات النفاثة الساخنة للغاية بالإضافة إلى بيئات التشغيل شديدة البرودة التي قد تقترح استخدامات مثل حلقات الاحتفاظ للمغناطيس فائق التوصيل، والأجزاء الهيكلية لخزانات الغاز الطبيعي المسال، بالإضافة إلى المواد التي سيتم تصنيعها. تتعرض لأعماق المحيطات أو بيئات الفضاء السحيق.

عند سؤاله عما إذا كان من الممكن توسيع نطاق عملية تصنيع التيتانيوم التجاري الجديد في يوم ما قريبًا، قال مينور، لماذا لا؟ من الصعب القيام بأشياء مثل عملية كرول المستخدمة اليوم، حيث يجب عزل المادة كهربائيًا وتستهلك العملية برمتها كميات هائلة من الطاقة. "وهذا التشكيل بالتبريد، كما تعلمون، كنا نضع الأشياء في الحمام."