Mn-deficient Ni-Mn-Ga alloys: phase transitions, magnetic properties, and disappearance of martensitic transformation

تمتلك بعض المواد قوة خارقة خفية: يمكنها تغيير شكلها عند تعرضها لمجال مغناطيسي، حيث تنبض ذهابًا وإيابًا مثل عضلة ميكانيكية. وتعتمد هذه الظاهرة، المعروفة باسم تأثير ذاكرة الشكل المغناطيسي، على نوع محدد من السبائك المعدنية التي يمكن أن توجد في بنيتين داخليتين مختلفتين. إحدى البنيتين هي مكعب مستقر عالي الحرارة، بينما الأخرى هي نسخة مشوهة ذات درجة حرارة أقل. عندما تبرد المادة، تنتقل من الشكل المكعب إلى الشكل المشوه، وعند تطبيق مجال مغهناطيسي، يمكن إجبارها على العودة إلى الحالة الأولى، مما يخلق حركة فيزيائية قوية. ويتوق العلماء لإتقان هذا السلوك لبناء أجهزة تحول الطاقة المغناطيسية مباشرة إلى حركة أو طاقة تبريد دون أجزاء متحركة. ومع ذلك، فإن العثور على الوصفة المثالية لهذه المعادن أمر صعب لأن سلوكها حساس للغاية للخليط الدقيق من المكونات؛ فحتى تغير طفيف في كمية عنصر واحد يمكن أن يؤدي إلى توقف المادة عن العمل تمامًا أو تغيير درجة الحرارة التي تعمل عندها.

وضع فريق من الباحثين في جمهورية التشيك نصب أعينهم فهم كيفية تأثير توازن المكونات على هذه المعادن متغيرة الشكل، وتحديدًا سبيكة مكونة من النيكل والمنغنيز والجاليوم. وبدلاً من محاولة إنشاء بلورة واحدة مثالية، وهو أمر يصعب نموه بشكل ملحوظ، فقد تبنوا "عيبًا" شائعًا يوجد في عملية التصنيع: وهو التغير التدريجي في التركيب على طول قضيب المعدن. فعندما تُصهر هذه السبائك وتُبرد بطريقة محكومة، لا تختلط العناصر المختلفة دائمًا بشكل متساوٍ تمامًا؛ إذ ينتهي الأمر ببعض أجزاء القضيب باحتواء نسبة أعلى قليلاً من المنغنيز، بينما تحتوي أجزاء أخرى على نسبة أكبر من الجاليوم. وقد أدرك الباحثون أنه بدلاً من اعتبار عدم التجانس هذا عيبًا، يمكنهم استخدامه كمختبر طبيعي. فمن خلال زراعة قضبان طويلة ونحيفة من هذه السبيكة ودراسة مناطق مختلفة على طولها، يمكنهم مراقبة كيفية تغير خصائص المادة استجابةً للتغيرات الطفيفة والطبيعية في تركيبها الكيميائي، كل ذلك مع الحفاظ على تاريخ كيفية صنع المعدن تمامًا كما هو.

قام الفريق بتنمية ثلاثة قضبان مختلفة من سبيكة النيكل والمنغنيز والجاليوم هذه باستخدام فرن بصري متخصص يصهر منطقة صغيرة من المعدن ويتحرك ببطء على طول قضيب. تم صنع أحد القضبان عمدًا بكمية أقل من المنغنيز من المعتاد، بينما كان القضيبان الآخران قريبين من الوصفة القياسية. وبعد تشكيل القضبان، قام الباحثون بقطعها طوليًا وحللها بدقة فائقة. لقد رسموا خريطة للتركيب الكيميائي في نقاط عديدة على طول القضيب، مؤكدين أن مستويات المنغنيز والجاليوم تتغير تدريجيًا من طرف إلى آخر، بينما ظل النيكل ثابتًا إلى حد كبير. ثم أخضعوا القضبان لمعالجة حرارية مصممة لتحسين ترتيبها الداخلي، وهي عملية تشبه عملية تقوية الفولاذ، لمعرفة ما إذا كان هذا سيؤدي إلى تسوية الاختلافات. لم تنجح المعالجة الحرارية في محو التدرجات الكيميائية؛ إذ ظل القضيب يحتوي على تباين واضح في مكوناته من الأعلى إلى الأسفل، مما سمح للعلماء بدراسة مجموعة واسعة من التركيبات في قطعة واحدة من المادة.

ومن خلال اختبار عينات مأخوذة من مواضع مختلفة من القضبان، اكتشف الباحثون خط تقسيم حاد في كيفية سلوك المادة. ووجدوا أن قدرة السبيكة على الخضوع لتحول تغيير الشكل تعتمد بشدة على كمية المنغنيز الموجودة. ففي الأجزاء التي كانت فيها محتويات المنغنيز منخفضة، وتحديدًا بين 20.5 و22.0 بالمئة، لم تظهر المادة أي علامة على تغيير هيكلها على الإطلاق، حتى عند تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة للغاية؛ حيث ظلت في شكلها المكعب عالي الحرارة، رافضة التحول. ومع ذلك، بمجرد وصول محتوى المنغنيز إلى 22.1 بالمئة أو أكثر، ظهر التحول فجأة. وفي هذه الأجزاء، كانت المادة تنتقل بين شكليها مع تغير درجة الحرارة، تمامًا كما كان العلماء يأملون. وهذا يشير إلى وجود عتبة محددة من المنغنيز مطلوبة لتفعيل قدرة تغيير الشكل، وأن الانخفاض دون ذلك الحد بقليل يؤدي إلى اختفاء التأثير تمامًا.

كما كشفت الدراسة عن كيفية تغير القوة المغناطيسية للمادة مع تركيبها. فمع زيادة محتوى المنغنيز، أصبحت المادة أكثر مغناطيسية، ووصلت إلى أقوى نقاطها عند 25.8 بالمئة من المنغنيز. وعند هذا المستوى، يمكن للمادة أن تحمل شحنة مغناطيسية كبيرة، وهو أمر بالغ الأهمية لتوليد القوة اللازمة لتحريك الشكل. كما لاحظ الباحثون أن درجات الحرارة التي تحدث عندها عمليات تغيير الشكل ترتفع عمومًا مع زيادة محتوى المنغنيز. وهذا يعني أنه من خلال ضبط كمية المنغنيز بعناية، يمكن للمهندسين نظريًا ضبط السبيكة لتعمل في درجات حرارة محددة، مثل درجة حرارة الغرفة أو درجة حرارة الجسم، حسب التطبيق. كما أدت المعالجة الحرارية التي طبقوها سابقًا إلى إزاحة هذه الدرجات قليًا، مما يظهر أن الترتيب الداخلي للذرات يلعب دورًا إلى جانب الخليط الكيميائي.

في الختن، يوضح هذا العمل أن التوزيع غير المتساوي للعناصر، والذي يُعتبر غالبًا عيبًا في التصنيع، يمكن أن يكون أداة قوية للاكتشاف. فمن خلال استخدام هذه القضبان ذات التدرج الطبيعي، تمكن الباحثون من رسم خريطة للعلاقة بين التركيب الكيميائي والسلوك المغناطيسي بوضوح يصعب تحقيقه عبر صنع العديد من العينات المنفصلة والمتجانسة تمامًا. لقد أكدوا أن عددًا محددًا من الإلكترونات، مدفوعًا بمحتوى المنغنيز، يعمل كمفتاح لقدرة تغيير الشكل. فإذا كان المنغنيز منخفضًا جدًا، يظل المفتاح مغلقًا، وتظل المادة معدنًا ثابتًا. وإذا كان مرتفعًا بما يكفي، ينقلب المفتاح، وتكتسب المادة القدرة على الحركة وتغيير الشكل تحت تأثير مغناطيسي. توفر هذه الرؤية دليلًا واضحًا للجهود المستقبلية لتصميم سبائك ذاكرة الشكل المغناطيسية الأفضل، مما يظهر أن العثور على التوازن الصحيح بين المكونات هو المفتاح لإطلاق كامل إمكاناتها.