لقد تبين أنه كلما كان التشقق أقصر في المواد الهشة - كلما كانت أكثر مقاومة له، مما يمكن أن يساعد في تصميم واستخدام التطبيقات التي تعتمد على مواد هشة
ما مدى مقاومة المواد للشقوق وهل يمكن منعها من الكسر؟ المواد الهشة لديها طاقة كسر منخفضة، مما يعني أنها تنكسر بسهولة. تُستخدم هذه المواد، من بين أمور أخرى، في صناعة الإلكترونيات الدقيقة والطاقة وعلم الأحياء وفي العديد من التطبيقات مثل ركائز الدوائر المطبوعة (اللوحات التي توضع عليها المكونات الإلكترونية التي تشكل دائرة كهربائية، على سبيل المثال في أجهزة الكمبيوتر والهواتف)، وما إلى ذلك في البطاريات والمكونات والأجهزة البصرية المستوحاة من الطبيعة (مواد مستوحاة من الطبيعة). لذلك من المهم معرفة خصائصها ومعرفة كيفية منع انتشار الشقوق بداخلها، في عمليات قد تؤدي إلى تكسرها.
ما هو السؤال؟ على ماذا تعتمد مقاومة المادة لتطور التشققات فيها؟
يدرس البروفيسور دوف شيرمان من كلية الهندسة الميكانيكية في جامعة تل أبيب الخواص الميكانيكية للمواد. ومن خلال القيام بذلك، يركز على تطور الشقوق في المواد الهشة وخاصة في البلورات المفردة - حيث يتم ترتيب الذرات بطريقة دورية منتظمة (مثل السيليكون والكوارتز ونيوبات الليثيوم) وتعتبر أكثر هشاشة. وفي الوقت نفسه، يدرس نظرية الكسر التي وضعها المهندس البريطاني آلان أرنولد غريفيث قبل 100 عام (AA Griffith، 1921). هذه النظرية تجعل من الممكن صياغة قوة المادة في وجود الشقوق. وعليه فإن في كل مادة شقوقاً مختلفة الأحجام والاتجاهات، وعندما يتم تطبيق القوة عليها تنتشر الشقوق الكبيرة بسرعة وتسبب تكسرها. بالإضافة إلى ذلك، ترى أن خاصية المادة التي تقاوم بدء وتطور الصدع هي الطاقة السطحية الحرة للمادة لأن الشق يخلق سطحين حرين جديدين. وساهمت هذه النظرية في تصميم المواد بالرغم من وجود الشقوق فيها. تُظهر صورة سطح الكسر في نموذج السيليكون، عبر مستويي الكسر، أن شكل الكسر له انحناء معين
"لقد وضع جريفيث القوانين التي بموجبها تتقدم الشقوق في المواد، وأنا أفحصها مرة أخرى من خلال التجارب والحسابات. كما ذكرنا، كل مادة لها خاصية مقاومة نمو الشقوق، لكنها في المواد الهشة ضعيفة نسبياً. يقول البروفيسور شيرمان: "أقوم بالتحقق بدقة أكبر من خصائص المواد التي تتسبب في كسرها وكيف لا يزال من الممكن تصميمها، بحيث يكون هناك أقل عدد ممكن من الشقوق وتكون قصيرة قدر الإمكان".
وكجزء من بحثهم، قام البروفيسور شيرمان والطلاب في مجموعته بقطع نماذج من رقائق السيليكون الصناعية وإنشاء أخاديد رفيعة فيها باستخدام شعاع الليزر. ثم يقومون بتسخينها على طبق كهربائي عند درجة حرارة حوالي 200 درجة ثم غمسها في طبق من الماء. ويحدث ذلك صدمة حرارية (تسخين ثم تبريد سريع) تؤدي إلى حدوث شقوق طبيعية (سمك الذرة) بأطوال متفاوتة حسب ارتفاع الماء. ثم يتم لصق النماذج المتشققة باستخدام غراء الإيبوكسي داخل فتحة مستطيلة في لوح من الألومنيوم. وبعد أن يتماسك الغراء، يتم وضعهم على موقد كهربائي وتسخينهم بدرجة حرارة تتراوح من خمس إلى عشر درجات. وبما أن الألومنيوم يتمدد أكثر بكثير من السيليكون، فإن السيليكون يتمدد وتتطور الشقوق بسرعة. في هذه المرحلة، يقوم البروفيسور شيرمان بحساب، باستخدام برنامج مخصص، مستوى الطاقة لكسر المادة (مستوى مقاومتها لتقدم الشقوق داخلها). بالإضافة إلى أنه يقوم بقياس سرعة تطور التشققات حسب الجهد الكهربائي عبر النماذج بجهاز قياس مخصص (ذبذبات سريعة - تعكس التقلبات).
واكتشف العلماء أن معدل مقاومة المادة لبدء الشقوق يعتمد على طولها. كلما كانت الشقوق أقصر، زادت مقاومة المادة لها. وكلما طالت الشقوق - ضعفت مقاومة المادة لها. الفرق في طاقة الكسر بين الحالتين كبير جدًا، يصل إلى ثلاث إلى أربع مرات.
وهكذا، من بين أمور أخرى، اكتشف البروفيسور شيرمان وفريقه أن معدل مقاومة المادة لبدء الشقوق يعتمد على طولها. كلما كانت الشقوق أقصر، زادت مقاومة المادة لها. وكلما طالت الشقوق - ضعفت مقاومة المادة لها. الفرق في طاقة الكسر بين الحالتين كبير جدًا، يصل إلى ثلاث إلى أربع مرات. يوضح البروفيسور شيرمان: "من هذا يمكن أن نفهم أنه من الممكن تصميم تطبيقات تعتمد على مواد خفيفة الوزن وهشة حيث تتشكل شقوق قصيرة نسبيًا، وعندها ستكون مقاومة المادة لتقدمها أقوى". منحنى سرعة التشقق V مقابل الطاقة المستهلكة G0 في النماذج ذات الطول المتغير. تظهر الشقوق القصيرة طاقة كسر أعلى.
وقد وجد أيضًا أن شكل الشقوق له انحناء معين، مما دفع البروفيسور شيرمان إلى تطوير نموذج ذري (يسمى مكامن الخلل، على غرار تطور خط الخلع في المواد) الذي يفسر العلاقة بين الخصائص العيانية للشقوق. الكسر (طاقة الكسر) وكسر الرابطة بين الذرات الموجودة على الشقوق. يوضح هذا النموذج أسباب تغير محتوى الطاقة لكسر الشقوق.
تستخدم مجموعة البروفيسور شيرمان أيضًا مجهر المسح النفقي (الذي يمكن من خلاله فحص الأسطح على المستوى الذري)، لفحص البنية الذرية للشقوق في العينات التي انكسرت بالفعل. "في تجارب كهذه أستطيع أن أرى كيف أن تقدم الشقوق يحدد طريقة كسر الرابطة بين الذرات في المادة، وتشكيل ذرة بعد ذرة. هذه هي الطريقة التي أفهم بها فعليًا تقدم الشقوق نوعيًا وكميًا، على المستوى المجهري والعياني، ويمكنني أن أشرح بدقة ما هي العلاقة بين المادة والشقوق ولماذا تتغير درجة مقاومتها مع طولها.
وفي الخطوة التالية، وبدعم من مؤسسة العلوم الوطنية، يخطط البروفيسور شيرمان وفريقه لإجراء تجارب مماثلة مع مواد أخرى، بما في ذلك المواد متعددة البلورات الهشة، مثل الزجاج والكوارتز.
الحياة نفسها:
البروفيسور دوف شيرمان، متزوج وله ثلاثة أطفال، يسكن في تل أبيب. أحب الشقوق منذ الطفولة ("عندما كنت طالبة، سألتني والدتي عما كنت أفعله في المختبر وأخبرتها أنني أكسر الأشياء. وذكرت أنه في عمر السنة والنصف كنت أضرب الأطباق والأكواب واختبار تحطيمها. باختصار، يمكنك القول إنني أقدم مجرب في هذا المجال"). بالإضافة إلى ذلك، فهو يحب الاستماع إلى الموسيقى الكلاسيكية والسفر مع الأصدقاء في إسرائيل وحول العالم.
