Bridging Chemically Distinct Coating Systems: Cross-System Transfer Learning Enables Discovery of Ultralow-Thermal-Conductivity Ferroelastic Tantalates

تخيل داخل محرك نفاث أو توربين غازي، حيث يجب أن تصمد الأجزاء المعدنية أمام درجات حرارة قد تذيب معظم المواد الأخرى. ولحماية هذه المكونات، يقوم المهندسون بطلاؤها بطبقة خاصة تسمى الحاجز الحراري. تعمل هذه الطبقة كمعطف شتوي ثقيل للآلة، حيث تمنع الحرارة الشديدة من الوصول إلى المعدن الموجود تحتها، مما يسمح للمحرك بالعمل في درجات حرارة أعلى وبكفاءة أكبر. ولعقود من الزمن، كانت المادة القياسية لهذه المهمة هي نوع من السيراميك المثبت باليتريا. ومع ذلك، ومع دفع المحركات نحو درجات حرارة أعلى لتوليد طاقة أكبر، بدأت هذه المادة القديمة في الفشل؛ إذ يتغير هيكلها الداخلي عندما تصبح شديدة السخونة، مما يؤدي إلى تمددها وتصدعها، وهي ببساطة لا تستطيع حجب الحرارة بشكل كافٍ لتلبية متطلبات الجيل القادم من المحركات. لقد كان العلماء يبحثون عن مادة جديدة يمكنها البقاء مستقرة في درجات الحرارة القصوى مع السماح بقدر أقل من انتقال تلك الحرارة.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن حلاً واعداً من خلال اكتشاف نوعين جديدين من المواد السيراميكية التي تتميز بقدرة استثنائية على حجب الحرارة. تنتمي هذه المواد إلى عائلة تُعرف باسم التانتالات الأرضية النادرة، والتي يتم صنعها عن طريق خلط عناصر أرضية نادرة مختلفة مع التانتالوم والأكسجين. ويكمن التحدي في العثور على المزيج المثالي في وجود عدد هائل من العناصر الأرضية النادرة للاختيار من بينها، كما أن عدد التركيبات الممكنة ضخم جداً لدرجة أن تجربةها واحداً تلو الآخر قد تستغرق عمراً كاملاً. وبدلاً من اختبار كل الاحتمالات، استخدم الباحثون نهجاً ذكياً يتضمن الذكاء الاصطناعي؛ حيث علموا برنامجاً حاسوبياً كيف يتعلم من مجموعة كبيرة من البيانات حول مواد مختلفة متشابهة كيميائياً ومفهومة جيداً. وبمجرد أن تعلم البرنامج القواعد العامة لكيفية انتقال الحرارة عبر هذه الأنواع من السيراميك، طلبوا منه تطبيق تلك المعرفة على عالم "التانتالات الأرضية النادرة" الذي يفتقر إلى البيانات الكافية. هذا الأسلوب، المعروف باسم "تعلم النقل"، سمح للكمبيوتر بإجراء تنبؤات دقيقة حول مواد جديدة دون الحاجة إلى كمية ضخمة من البيانات الجديدة للبدء.

قام الكمبيوتر بفحص مئات الآلاف من الوصفات المحتملة وحدد مزيجين محددين برزا بامتلاكهما لأدنى خصائص توصيل حراري تم تسجيلها لهذا النوع من السيراميك الكتلي. أحد هذين المادتين الجديدتين، وهو مزيج معقد من خمسة عناصر أرضية نادرة مختلفة، وُجد أن لديه موصلية حرارية تبلغ 1.276 واط لكل متر-كلفن عند 900 درجة مئوية، وهي أدنى قيمة تم قياسها لسيراميك كتلي من هذا النوع عند تلك الدرجة. أما الاكتشاف الثاني، وهو مزيج يحتوي على ثمانية عناصر أرضية نادرة مختلفة، فقد أدى أيضاً أداءً استثنائياً بقيمة بلغت 1.307 واط لكل متر-كلفن. وللتأكد من هذه التنبؤات، قام العلماء بصنع عينات فعلية من هذه المواد في المختبر؛ حيث خلطوا المساحيق الخام، وضغطوها في أقراص، ثم أحرقوها في فرن. وعندما اختبروا العينات الحقيقية، تطابقت القياسات مع تنبؤات الكمبيوتر بشكل شبه مثالي، مما أثبت أن الذكاء الاصطناعي قد وجههم بنجاح إلى الإجابة الصحيحة.

يكمن السبب في كون هذه المواد الجديدة جيدة جداً في إيقاف الحرارة في هيكلها الداخلي الفوضوي والمعقد. ففي البلورة المثالية، تنتقل الحرارة بسهء لأن الذرات مرتبة في شبكة منظمة ومرتبة، مما يسم يسمح للاهتزازات بالتحرك بسلاسة من طرف إلى آخر. أما في هذه السيراميكيات الجديدة، فقد تعمد العلماء خلط ذرات مختلفة ذات أحجام وخصائص كهربائية متفاوتة في نفس المواضع داخل الهيكل البلوري. وهذا يخلق بيئة فوضوية حيث لا تتناسب الذرات مع بعضها البعض بشكل مثالي. إن التشوهات الناتجة في الشبكة البلورية، جنباً إلى جنب مع العيوب الصغيرة والحدود بين المناطق المختلفة داخل المادة، تعمل مثل العقبات على الطريق السريع. فعندما تحاول الحرارة الانتقال عبر المادة في شكل ذرات مهتزة، تقوم هذه العقبات بتشتيت الاهتزازات، مما يحبس الطاقة ويمنعها من المضي قدماً. وقد استخدم الباحثون مجاهر قوية ومحاكاة حاسوبية لمراقبة هذه التأثيرات، مؤكدين أن الحرارة كانت تُحجب بواسطة مزيج من تشوهات الشبكة، وفراغات الأكسجين، والمجالات المجهرية التي تعطل تدفق الطاقة.

إن هذا الاكتشاف مهم ليس فقط بالنسبة للمواد التي تم العثور عليها، بل للمنهجية المستخدمة في البحث. توضح الدراسة أنه عندما يواجه العلماء مشكلة تتضمن احتمالات كثيرة وبيانات غير كافية، يمكنهم استعارة المعرفة من مجالات ذات صلة لحل المشكلة. فمن خلال تعليم الكمبيوتر فهم فيزياء انتقال الحرارة في مجموعة واحدة من المواد، ثم تطبيق هذا الفهم على مجموعة جديدة أقل دراسة، تمكنوا من تجاوز عملية التجربة والخطأ البطيئة والمكلفة. وتظهر النتات أن أفضل طريقة لإنشاء هذه المواد ذات التوصيل الحراري المنخفض للغاية ليست مجرد خلط كميات متساوية من عناصر عديدة، كما كان يُعتقد سابقاً، بل ضبط النسب بعناية لخلق القدر المناسب من الاضطراب الداخلي. لقد فتح هذا النهج مساراً جديداً لتصميم مواد متقدمة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، مما يوفر مخططاً لكيفية هندسة الجيل القادم من الحواجز الحرارية التي ستجعل محركاتنا تعمل بشكل أبرد وأكثر كفاءة.