Uncovering the deformation mechanism of glasses during indentation through high-resolution X-ray scattering
تستخدم هذه الدراسة تشتت الأشعة السينية النانوية باستخدام السينكروترون عالي الدقة لتوصيف آليات التشوه تحت السطحي في الموقع لمختلف الزجاجات الأكسيدية والأوكسي-نيتريدية أثناء عملية التثليم، كاشفةً أن التفاعل بين التكثيف والتدفق القصي محكوم بنسبة بواسون لتوجيه تصميم مواد أكثر مقاومة للتلف.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يبدو الزجاج مادة بسيطة في ظاهرها: فهو صلب، وشفاف، ومفيد في كل شيء من النوافذ إلى شاشات الهواتف الذكية. ومع ذلك، يكمن خلف هذا المظهر الناعم بنية داخلية معقدة تتصرف بطرق مدهشة عندما تتعرض للضغط. وبخلاف المعادن، التي يمكن أن تنثني وتتمدد دون أن تنكسر، فإن الزجاج مادة هشّة؛ إذ يميل إلى التحطم عندما يتعرض لإجهاد شديد. وعادة ما يبدأ هذا الهشاشة بصدوع صغيرة غير مرئية على السطح، غالباً ما تنتج عن جسم حاد يضغط على المادة. ولجعل الزجاج أكثر قوة، يحتاج العلماء إلى فهم ما يحدث بالضبط داخل المادة في لحظة تعرضها للضغط. إنهم بحاجة لرؤية كيف تعيد الذرات ترتيب نفسها تحت الضغط، وهي عملية تتضمن سلوكين رئيسيين متنافسين: إما انضغاط المادة لتصبح أكثر تماسكاً، أو انزلاق الطبقات فوق بعضها البعض مثل أوراق اللعب. ومعرفة أي من هذين السلوكين يحدث، وأين، هو المفتاح لتصميم زجاج يقاوم التلف.
لقد طور فريق من الباحثين في جامعة ألبورغ في الدنمارك، بالتعاون مع زملائهم في مختبر "ماكس IV" في السويد، طريقة جديدة لمراقبة هذه العملية في الوقت الفعلي. فبدلاً من النظر إلى الزجاج بعد حدوث الضرر، أو قطعه لرؤية ما بداخله، استخدموا حزمة قوية من الأشعة السينية للنظر مباشرة داخل المادة أثناء ضغطها. وقد ركزوا على أربعة أنواع مختلفة من الزجاج، تتراوح من السيليكا النقية إلى مخاليط معقدة تحتوي على النيتروجين. وباستخدام رأس ماسي للضغط على الزجاج وحزمة أشعة سينية لا يتجاوز عرضها مئة نانومتر لمسح المنطقة، تمكنوا من إنشاء خريطة تفصيلية لكيفية تغير بنية الزجاج تحت الحمل. وقد سمحت هذه التقنية بالتمييز بين الانضغاط المؤقت الذي يختفي عند رفع الضغط، والتغيرات الدائمة التي تبقى مستمرة.
اكتشف الباحثون أن طريقة تشوه الزجاج تعتمد بشكل كبير على تركيبته الكيميائية، والتي يمكن التنبؤ بها من خلال خاصية تسمى "نسبة بواسون". وهذه النسبة هي مقياس لمدى انضغاط المادة جانبياً عندما يتم ضغطها من الأعلى. وفي تجاربهم، وجد الفريق أن الزجاج ذو نسبة بواسون المنخفضة، مثل السيليكا النقية، يتصرف بشكل مختلف تماماً عن الزجاج ذي النسبة العالية، مثل زجاج الأوكسي نايترايد (oxynitride) الذي اختبروه. فعندما ضغط الرأس الماسي على السيليكا النقية، انتشر التشوه في شكل نصف دائري واسع في عمق المادة. وكان جزء كبير من هذا التغيير دائماً؛ فقد ضُغط الزجاج بشدة لدرجة أنه لم يستطع العودة إلى حالته الأصلية، مما ترك خلفه منطقة كثيفة ومتغيرة. وفي المقابل، أظهر زجاج الأوكسي نايترايد، الذي يمتلك نسبة بواسون أعلى، استجابة أكثر تمركزاً؛ حيث ظل التشوه مركزاً تحت الرأس الماسي، مشكلاً شكل حرف (V) ضيقاً، واستعاد معظم التغيير شكله عند إزالة الضغط.
كما كشفت الدراسة أيضاً أن حجم المنطقة المتضررة لا ينمو بنفس المعدل لجميع أنواع الزجاج. فعندما زاد الباحثون الضغط من نيوتن واحد إلى نيوتنين، نمت المنطقة المتضررة في السيليكا النقية بشكل ملحوظ، بينما ظلت المنطقة في زجاج الأوكسي نايترايد صغيرة ومحصورة. وهذا يشير إلى أن البنية الداخلية لزجاج الأوكسي نايترايد أكثر مقاومة لانتشار الضرر. علاوة على ذلك، لاحظ الفريق أنه في بعض أنواع الزجاج، تضمن التشوه انزلاق طبقات المادة فوق بعضها البعض، وهي عملية يمكن أن تؤدي إلى حدوث شقوق. وفي حالة السيليكا النقية، كان هذا الانزلاق ضئيلاً، ولكن في المخاليط الأخرى، لعب دوراً أكبر. ومن خلال رسم خرائط لهذه التغيرات بدقة عالية، تمكن الباحثون من الفصل بين الاستجابة المرنة، وهي انثناء الزجاج مؤقتاً، والاستجابة اللدنة، وهي إعادة التشكيل الدائم للشبكة الذرية.
يوفر هذا العمل صورة واضحة لسبب كون بعض أنواع الزجاج أكثر عرضة للتشقق من غيرها. وتشير النتائج إلى أن الزجاج ذو نسبة بواسون العالية والبنية الذرية الأكثر تراصاً يكون أفضل في حصر الضرر في منطقة صغيرة واستعادة شكله بعد زوال الضغط. وتعد هذه الرؤية أمراً بالغ الأهمية للمهندسين الذين يصممون الزجاج للتطبيقات الواقعية، حيث تكون العيوب السطحية هي نقطة البداية للفشل الكارثي. ومن خلال فهم السمات الهيكلية المحددة التي تسمح للزجاج بمقاومة انتشار الضرر، يمكن للعلماء الآن العمل نحو ابتكار مواد جديدة أكثر صلابة ومتانة. وتوفر الطريقة التي طُورت في هذه الدراسة وسيلة غير مدمرة لاختبار هذه المواد، مما يحافظ على حالتها الطبيعية مع الكشف عن الميكانيكا الخفية لكيفية انكسارها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.