Model for prediction of film composition in the DC Magnetron Sputtering of Fe-Cr-Ni-Mn-Cu and Al-Fe-Cr-Ni-Cu High-Entropy Alloys

في عالم المواد المتقدمة، يبحث العلماء باستمرار عن طرق لإنشاء أسطح أكثر صلابة، أو ديمومة، أو أفضل في مقاومة التآكل. أحد الأساليب القوية لتحقيق ذلك هو عملية تسمى "الترذيذ" (sputtering)، والتي تعمل بشكل يشبه عملية التنظيف بالرمل المجهري. وبدلاً من استخدام تيار من الرمل لتآكل السطح، تستخدم هذه التقنية تياراً من جزيئات الغاز المشحونة لضرب ذرات من كتلة معدنية صلبة، تُعرف باسم "الهدف". ثم تنتقل هذه الذرات المطرودة عبر الفراغ وتستقر على سطح مختلف، مكونةً طبقة رقيقة ومتجانسة للغاية. وتعد هذه التقنية ضرورية لإنشاء الطلاءات الواقية الموجودة في كل شيء، بدءاً من الغرسات الطبية وصولاً إلى المكونات الداخلية لمحركات الأقراص الصلبة.

هناك فئة مثيرة للاهتمام بشكل خاص من المواد المستخدمة في هذه العملية تسمى "السبائك عالية الاعتلاج" (high-entropy alloys). وخلافاً للمعادن التقليدية، التي تعتمد عادةً على عنصر أساسي واحد مثل الحديد أو النحاس مع بعض الإضافات، فإن هذه السبائك هي مزيج متعمد من خمسة معادن مختلفة أو أكثر بكميات متساوية تقريباً. هذا الوصفة المعقدة تخلق بنية داخلية فريدة تمنح المادة مجموعة خاصة من الخصائص، مثل القوة الفائقة أو القدرة على مقاومة الصدأ. ومع ذلك، يبرز تحدٍ كبير عند محاولة طلاء الأجسام بهذه الخلطات المعقدة. فعندما يصطدم تيار الغاز بالهدف المعدني، فإنه لا يطرد جميع أنواع الذرات بنفس السهولة؛ إذ تظل بعض الذرات مرتبطة بالسطح بقوة أكبر من غيرها، مما يعني أن الطبقة الناتية قد تنتهي بوصفة كيميائية تختلف عن كتلة المعدن الأصلية. وإذا لم تتطابق الطبقة مع الهدف، فقد لا تمتلك الخصائص الواقية المنشودة.

وضع باحثون في المعهد الوطني للبحث والتطوير للمعادن غير الحديدية والنادرة في رومانيا حداً لهذا اللغز لسيدتين محددتين من عائلات السبائك عالية الاعتلاج. فقد ركزوا على خليط يحتوي على الحديد والكروم والنيكل والمنغنيز والنحاس، وآخر تم فيه استبدال المنغنيز بالألومنيوم. كان هدفهم بناء نموذج حاسوبي يمكنه التنبؤ بدقة بالتركيب الكيميائي الدقيق للطبقة الرقيقة قبل صنعها حتى. ومن خلال فهم كيفية سلوك المعادن المختلفة أثناء عملية الترذيذ، أملا في إنشاء دليل موثوق للمهندسين لتصميم طلاءات أفضل دون الحاجة إلى إجراء تجارب فيزيائية لا نهاية لها.

لبناء أداة التنبؤ الخاصة بهم، بدأ الفريق بإنشاء كتل صلبة من هذه السبائك في فرن ثم تحليلها لمعرفة وصفاتها الدقيقة. بعد ذلك، استخدموا برنامجاً حاسوبياً متطوراً لمحاكاة عملية الترذيذ. وقد أخذ هذا البرنامج في الاعتبار وزن كل ذرة، ومدى ارتباطها بجيرانها، وكيفية تفاعل جزيئات تيار الغاز مع السطح. تضمن النموذج عامل تصحيح محدد لمراعاة حقيقة أنه عندما تُطرد ذرة واحدة، يمكنها إطلاق سلسلة من التفاعلات التي تطرد جيرانها، وهي ظاهرة أكثر تعقيداً في الخليط المكون من عناصر متعددة منها في المعدن النقي. كما أضاف الباحثون ثمانية عوامل ضبط واقعية إلى المحاكاة لمراعاة كيفية تحرك الذرات عبر الغاز واستقرارها على الألواح الزجاجية المستخدمة كقاعدة للطبقات.

عندما قام الباحثون بتشغيل عمليات المحاكاة، وجدوا أن النموذج يمكنه التنبؤ بتركيب الطبقة النهائية بدقة ملحوظة. ففي السبيكة التي تحتوي على المنغنيز، حدد النموذج بشكل صحيح أن ذرات المنغنيز كانت الأسهل في الطرد من السطح، مما أدى إلى انخفاض طفيف في تركيزها في الطبقة النهائية. وعلى العكس من ذلك، أظهر النموذج أن الحديد والكروم والنيكل أصبحوا أكثر تركيزاً في الطبقة لتعويض الفقد. أما النحاس فقد تصرف بشكل مختلف؛ فبالرغم من ميله العالي للتعرض للطرد، ظل وجوده الإجمالي في الطبقة قريباً جداً من الهدف نظراً لبدايته بتركيز منخفض. وكانت النتيجة الأكثر إثارة للاهتمام هي أنه عندما تم استبدال المنغنيز بالألومنيوم، أصبحت الاختلافات بين كتلة الهدف والطبقة النهائية أصغر حتى. فقد تماسك السبيكة القائمة على الألومنيوم بقوة أكبر أثناء العملية، مما أدى إلى إنتاج طبقة تكاد تكون نسخة كيميائية مطابقة للكتلة الأصلية.

ثم قارن الفريق تنبؤاتهم الحاسوبية بالطبقات الفعلية التي صنعوها في المختبر باستخدام آلة ترذيذ حقيقية. وقاموا بقياس التركيب الكيميائي لهذه الطبقات الحقيقية باستخدام تقنية تعمل على إثارة الذرات بالضوء للكشف عن هويتها. وأظهرت النتائج توافقاً قوياً بين المحاكاة والواقع. وفي معظم الحالات، كان الفرق بين ما تنبأ به النموذج وما تم قياسه فعلياً أقل من واحد بالمائة بالوزن، وهو ما يقع ضمن هامش الخطأ الطبيعي للتحليل الكيميائي. وحتى في الحالات الأكثر تعقيداً حيث كان الخليط الأولي غير متوازن، صمد النموذج جيداً، حيث تنبأ بشكل صحيح بأن الطبقة ستفقد كمية صغيرة من النحاس مع الحفاظ على استقرار العناصر الأخرى.

كانت هناك حالات قليلة حيث تباعدت النتائج الواقعية قليلاً عن التنبؤات، لا سيما بالنسبة لعناصر مثل النيكل والحديد، التي تمتلك خصائص مغناطيسية، أو المنغنيز الذي يتبخر بسهولة. وأشار الباحثون إلى أن هذه السمات الفيزيائية المحددة يمكن أن تؤثر على العملية بطرق يصعب استيعابها في محاكاة قياسية. ومع ذلك، كان الأداء العام للنموذج قوياً؛ فقد نجح في إثبات أن "الرقصة المعقدة" للذرات أثناء الترذيذ يمكن فهمها والتنبؤ بها دون الحاجة إلى الاعتماد على التخمين. وأكدت الدراسة أنه من خلال مراعاة طاقات الارتباط المحددة لكل معدن وكيفية تفاعلها في سلسلة متتابعة، يمكن للعلماء التنبؤ بتركيبة أفلام السبائك عالية الاعتلاج بشكل موثوق.

يمثل هذا العمل خطوة كبيرة للأمام في مجال علم المواد. فهو يقدم أداة عملية للمهندسين الذين يحتاجون إلى تصميم طبقات رقيقة ذات خصائص دقيقة للأجهزة الطبية أو الطلاءات الواقية. فمن خلال معرفة أن خليطاً معيناً سيؤدي إلى طبقة محددة، يمكنهم تصميم أهدافهم بثقة، مدركين أن المنتج النهائي سيؤدي المهمة كما هو مخطط له. وخلص الباحثون إلى أنه على الرغم من أن نموذجهم ليس مثالياً ويمكن تطويره بشكل أكبر، إلا أنه يشكل بالفعل أساساً متيناً لمحاكاة ترسيب هذه السبائك المعقدة متعددة المكونات، محولاً عملية التجربة والخطأ إلى علم يمكن التنبؤ به.