Influence of Gd-rich precipitates on the martensitic transformation, magnetocaloric effect and mechanical properties of Ni-Mn-In Heusler alloys -- A comparative study

تخيل عالماً تعمل فيه الثلاجات ومكيفات الهواء بدون كهرباء، باستخدام المغناطيس فقط لسحب الحرارة من غرفة ما ودفعها إلى مكان آخر. هذا هو الوعد الذي يقدمه التبريد المغناطيسي، وهي تقنية تعتمد على معادن خاصة تسخن عندما يتم مغنطتها وتبرد عندما يتم إزالة المغناطيس. لعقود من الزمن، كان العلماء يبحثون عن السبائك المعدنية المثالية لجعل هذا الأمر يعمل بكفاءة. أحد أكثر المرشحين واعدة هو خليط من النيكل والمنغنيز والإنديوم. هذه المواد مميزة لأنها تستطيع تغيير بنيتها الداخلية استجابةً للمجال المغناطيسي، وهي عملية تولد تأثيراً تبريدياً قوياً. ومع ذلك، هناك مشكلة رئيسية: هذه المعادن هشة للغاية. إنها تشبه الزجاج الرقيق؛ فإذا حاولت عصرها أو ثنيها لجعلها تعمل في آلة، فإنها تتحطم. لبناء جهاز تبريد حقيقي في العالم الواقعي، يحتاج المهندسون إلى مادة ليست جيدة في التبريد فحسب، بل قوية أيضاً بما يكفي لتتحمل عمليات العصر والتمدد المتكررة دون أن تنكسر.

لقد وضع فريق من الباحثين في الجامعة التقنية في دارمشتات بألمانيا هدفاً لحل مشكلة الهشاشة هذه دون إفساد قدرة التبريد لسبائك النيكل والمنغنيز والإنديوم. كانوا يعلمون أن إضافة كميات صغيرة من عناصر أخرى، مثل المعدن الأرضي النادر غادولينيوم، يمكن أن تجعل هذه السبائك أقوى. لكن كان هناك عقبة؛ ففي دراسات سابقة، بدا أن إضافة الغادولينيوم تساعد، لكنها كانت تغير البنية الداخلية للسبائك بعدة طرق في آن واحد. فقد جعلت حبيبات المعدن أصغر، وغيرت درجة الحرارة التي يتغير عندها المادة، وخلقت جزيئات صغيرة من مادة مختلفة داخل المعدن. ولأن كل شيء تغير في وقت واحد، لم يستطع العلماء تحديد أي عامل كان مسؤولاً بالفعل عن تحسين القوة. هل كانت الحبيبات الأصغر؟ أم كان تغير درجة الحرارة؟ أم كانت الجزيئات الجديدة؟ ولإيجاد الإجابة، صمم الباحثون تجربة دقيقة للغاية. فقد صنعوا نسختين من السبائك: نسخة بدون إضافات، وأخرى تحتوي على كمية صغيرة من الغادولينيوم. وقاموا بمعالجة كلتا العينتين بنفس الطريقة تماماً بحيث يكون لهما نفس حجم الحبيبات ونفس درجة حرارة تغيير البنية. وكان الفرق الوحيد هو أن العينة الثانية تحتوي على جزيئات كروية صغيرة من مادة غنية بالغادولينيوم منتشرة داخل المعدن الرئيسي.

عندما اختبر الفريق هاتين العينتين، وجدوا أن وجود جزيئات الغادولينيوم أحدث فرقاً هائلاً في كيفية سلوك المعدن تحت الضغط. السبائك العادية، بدون الجزيئات، كانت هشة للغاية؛ فعندما حاولوا ضغطها، تصدعت وانكسرت فوراً، وفشلت حتى قبل أن تخضع للتغيير الهيكلي اللازم للتبريد. في المقابل، استطاعت العينة التي تحتوي على جزيئات الغادولينيوم تحمل ضغط أعلى بكثير. فهي لم تتحطم، بل حافظت على تماسكها وسمحت بحدوث التغيير الهيكلي. لاحظ الباحثون أن الجزيئات تعمل مثل حواجز طرق صغيرة داخل المعدن؛ فعندما يحاول صدع ما التكون والانتشار، تقوم هذه الجزيئات بإيقافه، مما يجبر الصدع على تغيير اتجاهه أو التوقف تماماً. وقد سمح هذا للمادة بتحمل إجهاد الضغط، وهو أمر ضروري لآلة التبريد التي تعمل وتتوقف في دورات متكررة. لقد تحسنت قوة العينة المطعمة بشكل ملحوظ، حيث تضاعفت تقرياً في الضغط الذي يمكنها تحمله قبل الفشل.

تحقق الباحثون أيضاً مما إذا كانت هذه القوة المضافة تأتي على حساب أداء التبريد. فقد قاموا بقياس كمية الحرارة التي يمكن للمواد امتصاصها وإطلاقها عند تعرضها لمجال مغناطيسي. ووجدوا أن قدرة التبريد ظلت كما هي تقريباً. فقد فقدت العينة التي تحتوي على جزيئات الغادولينيوم جزءاً ضئيلاً جداً من قدرتها على التبريد، بنسبة أقل بنحو عشرة إلى خمسة عشر بالمائة من العينة النقية، وهذا الانخفاض الطفيف نتج عن اتساع طفيف في نطاق درجة الحرارة التي تتغير خلالها المادة، لكن الأداء الجوهري ظل محفوظاً. أكدت الدراسة أن خصائص التبريد الممتازة لسبائك النيكل والمنغنيز والإنديوم يمكن الحفاظ عليها مع جعل المادة قوية بما يكفي في الوقت نفسه لاستخدامها في آلة.

ربما كان الاكتشاف الأكثر أهمية هو ما أثبتته هذه التجربة من نفي. فبما أن الباحثين حافظوا على حجم الحبيبات والتركيب الكيميائي للمعدن الرئيسي متطابقين في كلتا العينتين، فقد استطاعوا إثبات أن التحسن في القوة مرتبط مباشرة بوجود جزيئات الغادولينيوم، بما أن تكرار الحبيبات (grain refinement) لم يكن موجوداً في هذه المقارنة المحددة. ومع ذلك، كشفت الدراسة أيضاً عن تفصيل دقيق: فبينما وفرت هذه الجزيبات دفعة ملموسة في القوة، خلصت الورقة البحثية إلى أن الدور "الرئيسي" في تقوية هذه السبائك يأتي عادة من تكرار الحبيبات، والذي يحدث غالباً بالتزامن مع التطعيم في الدراسات الأخرى. وفي هذه الحالة المحددة، حيث تم الحفاظ على حجم الحبيبات ثابتاً، لعبت الرواسب دوراً "ثانوياً" في التقوية مقارنة بالمكاسب الهائلة التي تُرى عند تقليل حجم الحبيبات. وخلص الباحثون إلى أنه من خلال التحكم الدقيق في إضافة الغادولينيوم، يمكن إنشاء مادة تبريد مغناطيسي قوية ومتينة في آن واحد، وهي خطوة حاسمة نحو بناء الجيل القادم من أنظمة التبريد الموفرة للطاقة، رغم أنهم أشاروا إلى أن الجمع بين إضافة الجزيئات وتكرار الحبيبات يعطي أفضل الخصائص الميكانيكية.