On the Role of Atomic Mobility in the Polyamorphism of Metallic Glasses

عادة ما تأتي المادة في شكلين مألوفين: النظام الصارم للبلورة، حيث تجلس الذرات في صفوف مرتبة ومتكررة مثل الجنود في عرض عسكري، والفوضى العارمة للسائل، حيث تتخبط الذرات بحرية. ولكن هناك حالة ثالثة أكثر مراوغة تُعرف بالزجاج. في الزجاج، تكون الذرات متجمدة في مكانها مثل سائل تم الإمساك به في لحظة ذعر، غير قادرة على ترتيب نفسها في بلورة. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أنه بمجرد أن تصبح المادة زجاجاً، فإن هيكلها الداخلي يصبح مغلقاً بشكل أساسي في تكوين ثابت واحد. ومع ذلك، تشير مجموعة متزايدة من الأدلة إلى أن الزجاج ليس بالبساطة التي يبدو عليها؛ إذ يمكن أن يوجد في حالات "غير متبلورة" مختلفة، تماماً كما يمكن للماء أن يكون جليداً أو سائلاً، ولكن دون الحدود الحادة للبلورة. هذه الظاهرة، التي تسمى "تعدد الأشكال غير المتبلورة" (polyamorphism)، تعني أن وصفة كيميائية واحدة يمكن أن تنتج زجاجاً بكثافات وقوة وترتيبات داخلية مختلفة. إن فهم كيفية انتقال الزجاج من إحدى هذه الحالات الخفية إلى أخرى أمر بالغ الأهمية، لأنه يكشف عن القواعد الأساسية التي تحكم كيفية تنظيم الفوضى لنفسها، وهو سؤال يمس الجوهر الحقيقي لكيفية سلوك المواد عندما لا تكون في حالة توازن.

وقد تمكن فريق من الباحثين الآن من التقاط رؤية نادرة وحقيقية لهذا التحول في زجاج معدني مكون من البالاديوم والنيكل والفوسفور. ومن خلال الجمع بين أداتين قويتين — جهاز يقيس تدفق الحرارة بسرعة فائقة وحزمة من الأشعة السينية عالية الطاقة تعمل ككاميرا فائقة السرعة للذرات — تمكنوا من مشاهدة المادة وهي تغير رأيها. واكتشفوا أن المسار الذي يسلكه الزجاج للتحول يعتمد كلياً على مقدار الحركة المتاحة للذرات. فعندما تكون الذرات بطيئة والمادة في حالة تجمد عميق، يحدث التغيير ببطء واستمرارية، مثل تحول تدريجي في المشهد الطبيعي. ولكن عندما تكون الذرات أكثر حركة، كما هو الحال في السائل فائق التبريد، يحدث التغيير بشكل مفاجئ، مع وجود نسختين متميزتين من الزجاج جنباً إلى جنب قبل أن تسيطر إحداهما على الأخرى. هذا الاكتشاف يحسم جدلاً طويلاً حول كيفية حدوث هذه التحولات، موضحاً أن سرعة الحركة الذرية هي التي تملي آلية التغيير.

بدأت التجربة بشريط صغير من الزجاج المعدني، صغير جداً لدرجة أن وزنه يقل عن وزن ذرة غبار. وضع الباحثون هذه العينة على شريحة متخصصة قادرة على التسخين والتبريد بسرعات مذهلة، أسرع بكثير من أي فرن مختبري قياسي. واستخدموا تقنية تسمى "المسح الحراري التفاضلي السريع" لقياس الحرارة التي تمتصها العينة أو تطلقها، والتي تعمل كبصمة لطاقتها الداخلية. وفي الوقت نفسه، أطلقوا حزمة من الأشعة السينية عالية الطاقة عبر العينة لرؤية كيفية ترتيب الذرات. سمح هذا الإعداد بتتبع هيكل المادة وبصمتها الحرارية في اللحظة ذاتها، وهو إنجاز كان مستحيلاً في السابق. بدأوا بتبريد المعدن المنصهر بسرعة كبيرة لدرجة أنه تجمد ليصبح زجاجاً، مما حبس الذرات في حالة غير مرتبة. ثم احتفظوا بالزجاج عند درجة حرارة محددة لفترات زمنية متفاوتة، مراقبين كيف يتطور.

ما لاحظوه كان عملية واضحة تتكون من مرحلتين. في البلة، كان الزجاج ببساطة "يهرم"، حيث يستقر في تكوين أكثر استقراراً بينما تجد ذراته جيوباً صغيرة من الراحة. خلال هذه المرحلة، أظهرت قياسات الحرارة تغيراً واحداً وسلساً، وكشفت أنماط الأشعة السينية عن تعديلات طفيفة فقط في التباعد الذري. ولكن مع مرور الوقت، بدأت عملية تحول ثانية أكثر دراماتيكية. انقسمت إشارة الحرارة إلى ذروتين متميزتين، وأظهرت أنماط الأشعة السينية أن النظام متوسط المدى للذرات أصبح أكثر تنظيماً. كان هذا هو التحول متعدد الأشكال، حيث انتقل الزجاج من حالة منخفضة الكثافة إلى حالة عالية الكثافة. ووجد الباحثون أن هذا التحول عكسي؛ فإذا قاموا بتسخين الزجاج المتحول بسرعة، فإنه سيعود إلى حالته الأصلية غير المرتبة، مطلقاً الطاقة المخزنة في دفعة حادة من الحرارة.

جاء الاكتشاف الأكثر أهمية عندما غيروا درجة الحرارة التي يراقبون عندها هذه العملية. فعندما أجروا التجربة عند درجة حرارة منخفضة، حيث تتحرك الذرات ببطء شديد، حدث التحول تدريجياً. مرت المادة عبر سلسلة مستمرة من الحالات الوسيطة، متحولة ببطء من شكل إلى آخر. كان الأمر كما لو أن الزجاج بأكمله يغير شكله في آن واحد، خطوة بخوة. ومع ذلك، عندما رفعوا درجة الحرارة إلى نقطة تمنح الذرات حرية أكبر في الحركة، تغير السلوك تماماً. فبدلاً من التحول السلس، انقسمت المادة إلى مجموعتين متميزتين. ظل جزء منها في الحالة الأصلية بينما تحول الجزء الآخر فوراً إلى الحالة الجديدة الأكثر كثافة. ووجدت هاتان النسختان جنباً إلى جنب داخل العينة، تنموان وتتقلصان ضد بعضهما البعض حتى تسيطر إحداهما في النهاية.

يشير هذا الاختلاف في السلوك إلى قاعدة أساسية: حركة الذرات هي التي تتحكم في مسار التحول. في الزجاج البطيء عند درجات الحرارة المنخفضة، تكون الذرات عالقة جداً بحيث لا تستطيع القفز مباشرة إلى ترتيب جديد، لذا يجب عليها إعادة ترتيب نفسها ببطء وبشكل تعاوني. أما في السائل الأكثر حركة عند درجات الحرارة المرتفعة، فيمكن للذرات أن تتحرك بحرية كافية لتشكيل النواة للحالة الجديدة فوراً، مما يؤدي إلى وجود حد فاصل حاد بين القديم والجديد. وقد استبعد الباحثون احتمال أن يكون هذا ناتجاً عن انفصال المادة إلى مخاليط كيميائية مختلفة، مؤكدين أن التغيير كان هيكلياً بحتًا. كما وجدوا أن الطاقة المطلوبة لدفع التغيير البطيء والمستمر كانت أعلى بكثير من الطاقة اللازمة للتغيير السريع والمتزامن، مما يثبت أن الآليتين مختلفتان جوهرياً.

توفر هذه النتائج إطاراً جديداً لفهم كيفية سلوك المواد غير المنظمة. فمن خلال إظهار أن المادة نفسها يمكن أن تنتقل بين نمطين مختلفين من التحول اعتماداً على درجة حرارتها وحركة ذراتها، تقدم الدراسة صورة أوضح للرقصة المعقدة بين الديناميكا الحرارية والحركية في الزجاج. وهي تشير إلى أن الطريقة التي يتقادم بها الزجاج أو يتحول ليست خاصية ثابتة، بل هي استجابة ديناميكية لبيئته. يمكن لهذا التصور أن يساعد العلماء في تصميم زجاج معدني أفضل بخصائص مصممة خصيصاً، مثل قوة أعلى أو مقاومة أفضل للتشقق، من خلال التحكم في كيفية تبريده ومعالجته. وفي نهاية المطاف، يكشف هذا العمل أنه حتى في الفوضى المتجمدة للزجاج، هناك نظام خفي ومجموعة من القواعد التي تحكم كيفية تغيره، بانتظار من يعرف كيف يبحث عنه.