هل شاهدت يوماً حداداً يُشكّل قطعة من الحديد؟ في الغالب، مر على معظمنا ذلك المشهد بشكل ما. يقوم الحداد بتسخين الحديد داخل النار حتى تلين القطعة وتُصبح سهلة التشكيل.
يعرف ذلك الحداد -بالخبرة- أن المعدن يلين حين يتعرض لدرجة الحرارة المرتفعة. ويعرف العلماء سبب ذلك "اللين"، فالمعادن تقاوم الحرارة حتى حد معيناً، ثم تبدأ -حين يتم تجاوز ذلك الحد- في التمدد، وحين يتمدد المعدن يُصبح أكثر ليونة.
تنطبق تلك القاعدة على جميع المعادن وسبائكها تقريباً، إلا أن سبيكة جديدة تشذ عن تلك القاعدة.
فبحسب ما ورد في دراسة منشورة في دورية "نيتشر" المرموقة، اكتشف باحثون في جامعة مدينة هونج كونج أول سبيكة يُمكنها الاحتفاظ بصلابتها حتى بعد تسخينها لدرجة حرارة 1000 كلفن (726.85 درجة مئوية) أو أعلى.
تصنيع أجهزة فضائية
ويعتقد الفريق أنه يُمكن استخدام السبيكة -التي أطلق عليها العلماء اسم Elinvar- في تصنيع أجهزة عالية الدقة للمهام الفضائية.
عادة، ينخفض معامل المرونة (الصلابة) لمعظم المواد الصلبة، بما في ذلك المعادن، عندما تزداد درجة الحرارة نتيجة للتمدد الحراري، إلا أن السبيكة الجديدة تحتفظ بثبات بمعامل المرونة الخاص بها على مدى نطاق واسع جداً من التغيرات في درجات الحرارة.
وحسبما يقول الباحثون، عندما يتم تسخين هذه السبيكة إلى 1000 كلفن، أي 726.85 درجة مئوية، أو حتى أعلى، تحتفظ السبيكة بصلابتها وكأنها في درجة حرارة الغرفة، أو حتى تصبح أكثر صلابة بقليل، وتتمدد دون أي تحول ملحوظ في الصلابة.
وقال أستاذ الهندسة الميكانيكية يانج يونج، وهو المؤلف الرئيسي للدراسة: "هذا أمر يغير ما نعرفه من الكتب الدراسية التي تؤكد أن المعادن تلين عندما تتمدد تحت التسخين".
وأوضح يانج أن هذا كان "اكتشافاً عرضياً"، مضيفاً "اكتشفنا هذه الظاهرة في عام 2017، وأمضينا سنوات عدة نحاول فهم الآليات الأساسية لتحديد سبب عدم تغير صلابة السبيكة مع زيادة درجة الحرارة".
ووفق ما جاء في الدراسة، أثبتت التجربة أن البنية المجهرية والخواص الميكانيكية للسبيكة كانت غير حساسة للتلدين -المعالجة الحرارية- عند 1273 كلفن (1000 درجة مئوية) لفترات زمنية مختلفة.
وقال البروفيسور يانج في بيان صحافي تلقى "الشرق" نسخة منه: "هذا يعني أن صلابة السبيكة تظل ثابتة على درجة الحرارة. وفقاً للأدبيات، لم يتم العثور على أي معادن معروفة تتصرف بهذه الطريقة قبل اكتشافاتنا".
تركيبة معقدة
واكتشف البروفيسور يانج وفريقه مؤخراً السبب وراء الاكتشاف، فلتلك السبيكة هيكل شبكي خاص له تركيبة كيميائية معقدة على المستوى الذري.
ونظراً للجمع بين الميزات الهيكلية الفريدة، فإن السبيكة لديها حاجز طاقة مرتفع للغاية وبالتالي لا تلين تحت ارتفاع درجات الحرارة.
ومن المثير للاهتمام أن الفريق وجد أن السبيكة يمكنها تخزين كمية كبيرة من الطاقة.
وأشار البروفيسور يانج إلى أنه يمكن استخدام السبيكة لتخزين الطاقة ثم تحويلها في وقت لاحق "نظراً لأن المرونة لا تبدد الطاقة، وبالتالي لن تولد حرارة، ما قد يؤدي إلى تعطل الأجهزة، فإن هذه السبيكة فائقة المرونة ستكون مفيدة في الأجهزة عالية الدقة، مثل الساعات وأجهزة الملاحة الفضائية".
ويتصور فريق البحث العديد من التطبيقات للسبائك، لا سيما في هندسة الطيران، إذ من المتوقع أن تخضع الأجهزة والآلات لتغيرات جذرية في درجات الحرارة.
وقال يانج: "نحن نعلم أن درجة الحرارة تتراوح من 122 درجة مئوية إلى -232 درجة مئوية على سطح القمر. ستظل هذه السبيكة قوية وسليمة في بيئة قاسية، ولذا فهي تتناسب تماماً مع الكرونومتر الميكانيكي -الساعات- في المستقبل. في نطاق واسع من درجات الحرارة أثناء الرحلات الفضائية".
