الحكمة في صناعة السيراميك

واكتشف علماء المعهد أنه في ظل ظروف معينة، يتصرف أكسيد السيريوم الجادولينيوم كنوع من المطاط، وليس مثل مادة السيراميك العادية: مثل الكرة المطاطية، تتكيف هذه المادة مع الشكل المفروض عليها من الخارج، ولكن بمجرد عند إزالة القيود الخارجية - يعود إلى شكله الأصلي

  
البروفيسور ايجور لوبوميرسكي. تعديل
ذكي. مرن. يتأقلم بشكل جيد مع الضغوط. يتكيف بسرعة مع المواقف الجديدة. يبدو وكأنه مرشح كبير لدور التحدي؟ صحيح، لكن "المرشح" هو مادة خزفية غير تقليدية قادرة على التكيف، من تلقاء نفسها، مع الظروف الصعبة والمتغيرة. ويقول البروفيسور إيجور لوبوميرسكي، من قسم المواد والسطوح في كلية الكيمياء بمعهد وايزمان للعلوم، والذي اكتشف الخصائص المدهشة لهذه المادة، إن هذا الاكتشاف قد يؤدي في المستقبل إلى
لأبحاث جديدة والعديد من التطبيقات الصناعية.
يعد هذا اكتشافًا مفاجئًا إلى حد ما، نظرًا لأن المادة، أكسيد السيريوم غادولينيوم، معروفة منذ أكثر من 15 عامًا، ولكنها لم تعتبر أبدًا غير عادية بأي حال من الأحوال. يتم إنشاء هذه المادة من خلال الجمع بين الجادولينيوم وأكسيد السيريوم. البروفيسور لوبوميرسكي: "تخيل لو اكتشفت أن جارك عبر الشارع، والذي كنت تعتقد لسنوات أنه يتمتع بذكاء متوسط، يتمتع بمعدل ذكاء عبقري."
واكتشف علماء المعهد أنه في ظل ظروف معينة، يتصرف أكسيد السيريوم الجادولينيوم كنوع من المطاط، وليس مثل مادة السيراميك العادية: مثل الكرة المطاطية، تتكيف هذه المادة مع الشكل المفروض عليها من الخارج، ولكن بمجرد ومع إزالة القيود الخارجية - يعود إلى شكله الأصلي. ولاكتشاف هذه الميزة المدهشة، قام العلماء بتطوير هيكل على شكل أسطوانة، يتكون "رأسه"، المتصل عند الحواف بالإطار، من طبقة رقيقة (أقل من ميكرون واحد) من مادة السيراميك. في درجة حرارة الغرفة، كانت الطبقة مسطحة وملائمة تمامًا للإطار. ولكن أثناء التسخين بدأت تحدث ظواهر غير متوقعة.
وتوقع العلماء أنه نتيجة للتسخين، فإن الطبقة الخزفية سوف تتصرف بشكل مختلف عن تفاعل إطار الأسطوانة. كان من المفترض أن يتغير الإطار قليلاً جدًا، بينما كان من المتوقع أن تنتفخ طبقة السيراميك وتبرز للأعلى. لكن السيراميك "الذكي" بقي مسطحًا طوال الطريق عند تسخينه ببطء، حتى عندما وصلت الحرارة إلى 180 درجة مئوية. والمثير للدهشة، أنه حتى عندما تم تبريده تدريجيًا، فقد احتفظ بشكله الأصلي ولم يتشكل فيه أي صدع. ومن هنا، استنتج العلماء، أن هذه المادة الخزفية تتمتع بآلية داخلية متطورة تسمح لها بتكييف نفسها مع الإطار في أي درجة حرارة - على أن يتم التغيير تدريجياً. وعندما تم تسخين المادة إلى درجة حرارة 180 درجة مئوية دفعة واحدة، انتفخت وبرزت. عندما قاموا بتبريده دفعة واحدة - تصدع. تمامًا مثل أي سيراميك عالي الجودة.
يبدو أن عامل الوقت قد لعب دورًا حاسمًا في كلا السيناريوهين: عندما كان لديها ما يكفي من الوقت للتكيف مع التدفئة أو التبريد، كانت مادة السيراميك ناعمة مثل المطاط، ولكن عندما لم يكن لديها ما يكفي من الوقت، استسلمت لضغوط الشمس. التغيير السريع، وكسر. تتصرف الكرة المطاطية أيضًا بطريقة مماثلة: عندما يتم ضغطها ببطء، فإنها تغير شكلها لتتكيف مع الضغط وتعود إلى شكلها الأصلي عند إطلاقها، ولكن عندما يتم ضربة سريعة - مثل، على سبيل المثال، عندما يتم رميها على الأرض - فإنها تقاوم تغير الشكل، مما يتسبب في السماح لها بالطفو مرة أخرى.
ما هي الآلية التي تجعل مادة السيراميك "ذكية" وقابلة للتكيف؟ يأتي السر من نوعين من العيوب النقطية في المادة، والتي تنشأ أثناء عملية تكوينها. العيب الأول هو ذرات الجادولينيوم التي تخترق أكسيد السيريوم. العيب الثاني هو الفراغات التي تنشأ عندما تقوم ذرات الجادولينيوم بدفع ذرات الأكسجين الموجودة في أكسيد السيريوم إلى الخارج. تسمح هذه الفراغات للعيوب بالتحرك وتغيير أماكنها في المادة، مثلما يغير الأشخاص أماكنهم في صالة السينما التي بقي بها العديد من المقاعد الفارغة.
على سبيل المثال، عندما تبرد المادة، يتم فقدان الطاقة المرنة الناتجة عن الضغط والحرارة جزئيًا، مما يتسبب في التصاق العيوب وتنظيم المادة في حالة أكثر "اقتصادية"، والتي يتطلب وجودها طاقة أقل. ونتيجة لذلك، يتناقص حجم المادة تدريجيًا، مما يسمح لها بالبقاء مسطحة وخالية من الشقوق.
يقول البروفيسور لوبوميرسكي إن العديد من المواد الأخرى قد يكون لها خصائص مماثلة في التعامل بشكل جيد مع المواقف العصيبة. وقام بالتعاون مع أعضاء مجموعة البحث التي يرأسها بتطوير الأساس النظري للسلوك الشبيه بالمطاط للمواد الخزفية، ثم أثبت هذه النظرية بالتجارب. شارك في هذه الدراسة الطالبة البحثية آنا كوسوفو من قسم المواد والأسطح، والدكتور يشاي فيلدمان والدكتور آلان واتشيل من وحدة البنى التحتية للأبحاث الكيميائية في معهد وايزمان للعلوم، بالإضافة إلى البروفيسور يواكيم ماير من معهد ماكس بلانك. .
المواد المكثفة في شتوتغارت، ألمانيا. تم نشر نتائج البحث مؤخرًا في المجلة العلمية Advanced Functional Materials.
يمكن أن تكون المادة القادرة على الحفاظ على شكلها الأصلي عند أي درجة حرارة مفيدة جدًا في العديد من التطبيقات - على سبيل المثال، في الأجهزة التي يتم تسخينها وتبريدها بالتناوب. وتشمل هذه بعض خلايا الوقود - الأجهزة التي تحول الطاقة الكيميائية إلى كهرباء - والتي يتم بناؤها الآن من مواد خزفية من نفس العائلة التي ينتمي إليها السيريوم غادولينيوم. ومن الممكن أن يتم استخدام مثل هذه الأجهزة في المستقبل كمصدر طاقة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة. ومن المعتاد تشغيل وإيقاف مثل هذه الأجهزة بشكل متكرر، بحيث تقوم بتسخين البدلات وتبريدها. في هذه الحالات، يمكن للمادة الذكية، القادرة على التكيف مع درجات الحرارة المختلفة والمتغيرة، أن تمنع تكون الشقوق والأضرار.
يمكن أن تساعد المادة الخزفية الذكية في إنتاج أجهزة مجهرية مصممة لإجراء قياسات دقيقة بطريقة قابلة للتكرار، مثل أجهزة الاستشعار الدقيقة أو المضخات الدقيقة في المعدات الطبية. الإنتاج الضخم لأجزاء متطابقة
وتطرح مثل هذه الأجهزة العديد من التحديات الهندسية، والتي يمكن التغلب عليها باستخدام مادة سيراميكية تغير شكلها لتتكيف تمامًا مع إطار الجهاز. لا شك أن الطلب على التقنيات الدقيقة سيزداد في المستقبل، لذلك قد تكون هناك حاجة إلى مادة ذكية قادرة على سد الفجوات وتغطية القيود الهندسية الحالية، للعديد من الاستخدامات الإضافية.