Temperature-induced structural changes and mechanical degradation in phosphoric acid- based geopolymers

تخيل عالماً يمكن فيه للمواد التي نستخدمها لبناء وحماية منشآتنا أن تتحمل الحرارة الشديدة دون أن تنهار. لقرون، اعتمدت البشرية على الإسمنت العادي، لكن هذا حجر البناء الشائع لديه نقطة ضعف: فهو يتطلب طاقة هائلة لإنتاجه ويعاني تحت تأثير النار الشديدة. واستجابة لذلك، توجه العلماء إلى فئة مختلفة من المواد تسمى "الجيوبوليمرات" (geopolymers). فكر في هذه المواد كنوع من الغراء غير العضوي، الذي يتكون عن طريق خلط الصخور الطبيعية أو النفايات الصناعية مع محفز كيميائي لإنشاء مادة صلبة متينة. ومن بين هذه المواد، أظهر نوع محدد مصنوع باستخدام حمض الفوسفوريك وعوداً كبيراً. وبخلاف أقربائها الأكثر شيوعاً، تحتوي هذه المواد القائمة على الحمض على شبكة فريدة من الذرات المرتبطة بالفوسفور والسيليكون والألومنيوم. وهي معروفة بصلابتها السريعة وقدرتها العالية على الالتصاق بالأسطح الأخرى، مما يجعلها مرشحة مثالية للطوب المقاوم للحريق، والعزل الحراري، وأنظمة الإصلاح الطارئة. ومع ذلك، بينما نعلم أن هذه المواد تعمل بشكل جيد في الحريق، فإن الطريقة الدقيقة التي تتغير بها بنيتها الداخلية مع ارتفاع درجة حرارتها ظلت لغزاً. وفهم هذا السلوك الخفي أمر بالغ الأهمية؛ فإذا أردنا تصميم مواد أفضل مقاومة للحريق، فنحن بحاجة إلى معرفة الأجزاء الدقيقة من هيكلها المجهري التي تظل قوية والتي تبدأ في الضعف عندما ترتفع الحرارة.

ولحل هذا اللغز، لجأ باحثون في مؤسسات في فرنسا إلى أداة قوية تسمى "محاكاة الديناميكا الجزيئية". فبدلاً من تسخين عينة مادية في فرن ومراقبتها وهي تتحطم، قاموا ببناء نموذج افتراضي مثالي للمادة داخل جهاز كمبيوتر. احتوى هذا النموذج الرقمي على آلاف الذرات — وتحديداً الفوسفور والسيليكون والألومنيوم والأكسجين والهيدروجين — مرتبة بطريقة تحاكي الهيكل الكيميائي الحقيقي للجيوبوليمرات القائمة على حمض الفوسفوريك. ثم أخضع الفريق هذا العالم الافتراضي لمجموعة من درجات الحرارة، بدءاً من درجة حرارة الغرفة المريحة وصعوداً إلى مستوى حارق يحاكي ظروف الحريق الشديدة. ومن خلال مراقبة كيفية تحرك هذه الذرات وتفاعلها عند كل خطوة، تمكنوا من مشاهدة قصة حياة المادة من الداخل إلى الخارج، ورؤية كيف استجابت الشبكة المجهرية لإجهاد الحرارة.

كشفت نتائج هذه التجربة الرقمية عن قصة تغيير تدريجي بدلاً من انهيار مفاجئ. فمع ارتفاع درجة الحرارة، ظلت الوحدات البنائية الصغيرة للمادة — وهي مجموعات الذرات الفردية التي تشكل النواة الهيكلية — سليمة بشكل مثير للدهشة. لم تنفصل الروابط الأساسية بين السيليكون والأكسجين، والفوسفور والأكسجين، والألومنيوم والأكسجين على الفور. ومع ذلك، بدأت طريقة اتصال هذه الكتل ببعضها البعض في التغير. وجد الباحثون أن الروابط التي تعمل كجسور بين الأجزاء المختلفة من الشبكة بدأت في الضعف، لا سيما تلك التي تتضمن الفوسفور. وقد ثبت أن الروابط التي تربط الفوسفور بالسيليكون والفوسفور بالألومنيوم هي الأكثر حساسية للحرارة، حيث تنكسر أو تضعف بسهولة أكبر بكثير من الروابط بين السيليكون والألومنيوم. كان الأمر كما لو أن الملاط الذي يمسك الطوب معاً بدأ في الليونة أولاً، بينما ظل الطوب نفسه صلباً.

كان لهذا الضعف في الاتصالات تأثير مباشر على التنظيم الداخلي للمادة. فمع زيادة الحرارة، بدأت الذرات في التحرك بحرية أكبر، وخاصة ذرات الفوسفور، التي أصبحت الأعضاء الأكثر نشاطاً في المجموعة. تسبب هذه الحركة المتزايدة في جعل الشبكة المتراصة أكثر اضطراباً وأقل تنظيماً. بدأت المادة في تطوير المزيد من المساحات الفارغة داخل هيكلها. وفي النموذج الافتراضي، نمت كمية المساحات الفارغة، أو المسامية، بشكل كبير، حيث ارتفعت من حوالي خمسة وثلاثين بالمائة في درجة حرارة الغرفة إلى ما يقرب من ثمانية وأربعين بالمائة عند أعلى درجة حرارة. وفي الوقت نفسه، انخفضت الكثافة الإجمالية للمادة، لتصبح أخف وزناً وأقل تراصاً. كان الهيكل في الأساس يرتخي، مما خلق إطاراً أكثر انفتاحاً ومسامية بينما كان يكافح للحفاظ على شكله ضد الإجهاد الحراري.

كان لهذه التغييرات المجهرية تأثير واضح وقابل للقياس على كيفية سلوك المادة تحت الضغط. اختبر الباحثون قوة مادتهم الافتراضية عن طريق شدها، محاكيين قوة التمدد. في درجة حرارة الغرفة، كانت المادة صلبة للغاية ومقاومة للتشوه. ولكن مع ارتفاع درجة الحرارة، أصبحت أكثر ليونة ومرونة بشكل ملحوظ. إن مقياس هذه الصلابة، المعروف باسم "معامل يونغ"، انخفض من قيمة عالية بلغت اثنين وأربعين ونصف جيجاباسكال عند درجة حرارة الغرفة إلى خمسة وعشرين ونصف جيجاباسكال عند ذروة الحرارة. مثل هذا فقداناً بنسبة أربعين بالمائة في الصلابة. لم تتحطم المادة أو تتفكك، بل فقدت ببساطة قدرتها على الحفاظ على شكلها بإحكام، لتصبح أكثر امتثالاً وسهولة في التمدد.

تخلص الدراسة إلى أن فشل هذه المواد تحت الحرارة العالية لا ينتج عن التدمير الفوري لوحداتها الذرية الأساسية. بدلاً من ذلك، هي عملية بطيئة من الانفصال. فالحرارة تهاجم في المقام الأول الجسور المحددة التي تربط الأجزاء المختلفة من الشبكة، مما يؤدي إلى جعل الهيكل أكثر مسامية وأقل كثافة. ومع ضعف هذه الاتصالات وتحرك الذرات بحرية أكبر، تفقد المادة صلابتها. إن هذه الرؤية حيوية للمهندسين والعلماء؛ فهي تشير إلى أنه لجعل مواد الجيوبوليمر هذه أفضل في مقاومة الحريق، يجب أن ينصب التركيز على تقوية تلك الروابط المحددة القائمة على الفوسفور والتي تعد الأكثر عرضة للحرارة. فمن خلال فهم كيفية وأين تنهار المادة بالضبط، يمكننا تصميم نسخ مستقبلية تظل قوية ومستقرة حتى في أكثر البيئات تطلباً.