سبيكة بلا تشققات: كيف تختار التركيبة التي لا تتمزق عند التسخين سريع
الطوب بأحجام مختلفة، عند رصّه في جدار واحد، يترك فيه شقوقًا. تقريبًا بنفس الطريقة تتصرف الذرات في السبائك المقاومة للحرارة: عندما يشكل معدنان مختلفان شبكة بلورية مشتركة، وتكون ذراتهما مختلفة قليلًا في الحجم، ينشأ إجهاد داخل المادة. يتراكم هذا الإجهاد ويؤدي في النهاية إلى تدمير السبيكة عند التسخين.
درس العلماء مركبات الروثينيوم مع معادن أخرى، فهي تعتبر أساسًا لتوربينات ومحركات نفاثة مستقبلية. كان يُعتقد سابقًا أن الأهم هو جعل السبيكة مستقرة ديناميكيًا حراريًا، أي أن الذرات تميل نفسها إلى البقاء في هذا الترتيب. ولكن اتضح أنه حتى المركب المستقر جدًا من الروثينيوم والهافنيوم لا يتحمل التسخين إلى درجة الحرارة المحسوبة. السبب هو ذلك عدم تطابق أحجام الشبكات الذرية.
باستخدام النمذجة الحاسوبية والتعلم الآلي، توصل العلماء إلى قاعدة بسيطة: لإزالة الإجهاد، يجب إضافة معدن ثالث إلى السبيكة، مثل الألومنيوم أو التيتانيوم. تعمل هذه الإضافات كفواصل بين الطوب بأحجام مختلفة، فهي تملأ الفراغات وتوازن الشبكة. عندها تصبح السبيكة مشابهة لجدار من الطوب المتطابق: يختفي الإجهاد، وتتحمل المادة درجات الحرارة العالية دون تشققات.
هذا النهج يغير المنطق نفسه لإنشاء السبائك المقاومة للحرارة. بدلاً من البحث عن مركب واحد مثالي، يمكن للمهندسين الآن اختيار مجموعات من ثلاثة معادن أو أكثر، محسوبين بدقة أي الإضافات ستزيل الإجهاد الداخلي. وهذا يفتح الطريق لمكونات أكثر موثوقية للطيران والطاقة.
الروثينيوم هو أحد أندر المعادن على الأرض: فهو في القشرة الأرضية أقل بحوالي 100 مرة من الذهب. ومع ذلك، فهو شديد المقاومة للتآكل ودرجات الحرارة المرتفعة، لذلك يُنظر إليه للسبائك فائقة القوة.