أكثر صلابة من الماس

المواد المصطنعة تفوق الأحجار الكريمة

قراءة بصوت عال

لأول مرة ، أنتج العلماء مادة في المختبر تكون أكثر استقرارًا وأكثر صعوبة في تشويهها من الماس. خدعتهم هي أنهم يقومون بتضمين جزيئات دقيقة مع ما يسمى "الصلابة السلبية" في القصدير. لأول مرة ، تثبت هذه التجربة ، التي نشرت في مجلة Science ، التنبؤات النظرية التي تم افتراضها لمدة عشر سنوات.

{} 1L

في إنتاج المواد المركبة ، عادةً ما لا يمكن أن تتجاوز خصائص المواد للمادة الجديدة خصائص المواد الأولية. الجمع بين ، على سبيل المثال ، اثنين من المواد من صلابة مختلفة ، وصلابة المركب هو بالضرورة بين قيمتي المواد الأولية. كان الماس باعتباره أقسى المواد في الطبيعة لفترة طويلة حدًا أقصى من الصلابة التي يمكن تحقيقها ، ولكن توقع علماء النظريات في نهاية التسعينيات أنه يجب إنتاج مادة صلبة بشكل خاص إذا كانت تحتوي على جزء من مادة كانت كذلك وقد قلت صلابة سلبية.

غير ممكن في الطبيعة

يوضح دينيس كوشمان من جامعة روهر في بوخوم: "هذه المواد غير موجودة في الطبيعة النقية". "يمكنك أن تتخيلها مثل كرة لا تعارض ضغط الكرة بسبب صلابتها ، بل على العكس ، تتقلص من تلقاء نفسها."

ينتمي إلى فريق الأبحاث الألماني الأمريكي ، الذي أنتج الآن مثل هذه المواد لأول مرة تحت إشراف البروفيسور رودريك ليكس من جامعة ويسكونسن ماديسون. عرض

إدراج في القصدير يسبب صلابة سلبية

كمادة مع صلابة سلبية ، اختار الباحثون تيتانات الباريوم (BaTiO3). يمر بتحول طور هيكلي في الحالة النقية عند حوالي 120 إلى 130 درجة مئوية: ثم تقوم الشبكة المعدنية الذرية بتغيير هيكلها من خلايا وحدة مكعب إلى رباعي الكتل. ويصاحب ذلك تغير في حجم وشكل الجزيئات في ظل ظروف طبيعية. ومع ذلك ، إذا تم تقييد جسيم تيتانات الباريوم هندسيًا خلال تحول المرحلة هذا ، على سبيل المثال محصور بإحكام في مادة أخرى غير تحويلية ، فإن هذا التحول يمكن أن يتسبب في اكتساب الجسيمات صلابة سالبة مؤقتًا.

في الحالة الحالية ، تم وضع جزيئات BaTiO3 الدقيقة من حوالي 200 ميكرومتر في مصفوفة من القصدير. عن طريق تغيير درجة الحرارة ، تمكن الباحثون من إحداث تحول المرحلة من تيتانات الباريوم في عينة الجسم. يقول دينيس كوشمان: "بمجرد حدوث تحول الطور ، تسبب مصفوفة القصدير الصلبة القيد الهندسي الذي يسمح بالتصلب السلبي في الجزيئات". وفقًا للنظرية ، يجب أن يؤدي ذلك إلى زيادة قوية جدًا في الصلابة الكلية للمركب. تمكن الباحثون من تأكيد هذا التأثير تجريبياً.

زيادة كبيرة في تصلب

تم قياس مرونة وخاصية التخميد للعينات على نطاق درجة حرارة واسعة من درجة حرارة الغرفة إلى 210 درجة مئوية. "تظهر نتائج تجاربنا أنه خلال مرحلة التحول لجزيئات BaTiO3 ، تشهد صلابة المركب عابرة زيادة هائلة إلى أكثر من 1000 جيجا باسكال ، وهو ما يتجاوز بكثير قيم المواد المعنية" ، وفقًا لكوتشمان. في الوقت نفسه ، حدثت حالة شاذة في خاصية التخميد للمادة المركبة. حتى الكميات الصغيرة من BaTiO3 التي تتراوح بين ثلاثة وعشرة في المئة من الوزن الكلي تكفي لجعل القصدير الطري النقي أكثر صلابة من الماس.

نأمل في التطبيق العملي

على الرغم من أن الزيادة الشديدة في الصلابة تكون في هذه الحالة فقط لمدة قصيرة ومعقدة قابلة للتعديل على درجة الحرارة. يقول دينيس كوشمان "ومع ذلك ، فإن هذا يوضح عمومًا إمكانية إنتاج مواد مركبة ذات مرحلة من الصلابة السلبية وبالتالي زيادة الصلابة للغاية".

وهذا يثير الأمل في أنه يمكن في المستقبل تحقيق صلابة سلبية بمساعدة تحولات الطور الأخرى ؛ على سبيل المثال ، في حالة التحولات المغناطيسية أو الكهربائية المستحثة ، سيكون من الممكن إنتاج مواد تزيد من صلابتها وخصائصها المثبطة من خلال عدة أوامر من الحجم بضغطة زر واحدة. على سبيل المثال ، يمكن لمقاعد السيارات تكييف سلوكهم أو أدوات التخميد لديهم مع قدرة التحميل القصوى في المواقف القصوى.

(روهر ، جامعة بوخوم ، 05.02.2007 - NPO)