روشی جدید جهت مشاهده جزئیات ساختار بلوری فلز

روشی جدید جهت مشاهده جزئیات ساختار بلوری فلز

روش جدیدی که مشاهده جزئیات ساختار بلوری فلز را فراهم و از ابزارهای موجود برای تعیین سریع خواص مواد بسهولت استفاده می کند.

پژوهشگران در MIT ونیز در مرکزی دیگر، یک روش ترکیبی جدید ایجاد کرده اند که می تواند اطلاعات مفصلی را درباره ریزساختار فلزات چندبلوری فراهم کند.
چنین موادی که از یک زمینه تصادفی دارای از چند بلور کوچک بجای یک تک بلور درشت تشکیل شده بطور گسترده ای برای کاربردهایی نظیر رآکتورهای هسته ای، زیرساخت های شهری و هواپیما استفاده می شوند. اما درک جزئیات ساختار بلوری و مرزهی آنها بین نواحی بلوری دشوار بوده است.
یافته های تازه در مجله Nature Computational Materials در مقاله ای توسط Matteo Seita(دانشجوی پسادکتری در MIT)، Micahel Demkowicz (دکترای علم و مهندسی مواد)، Christopher Schuh و Vasilis Salapatas (دکترای متالورژی) و پنج نفر دیگر بچاپ رسیده است.
Seita توضیح می دهد:” این یک ترکیب منحصربفرد از فناوری های مختلف است.” روش جدیدی که وی و گروه مربوطه ایجاد کردند، یکی از مرسوم ترین مشکلات موجود در علم مواد را مورد توجه قرار می دهد که آن مشکل این است: “چگونه مشخصات مواد را به روشی با توان و بازدهی بالا کمیت یابی کنیم؟”
برخی روش ها جزئیات زیادی درباره ساختار بلوری فلز ارائه می دهند اما اجرای این روش ها زمان بر بوده و نمی تواند تغییرات سریع درون ماده را نشان دهد. برخی روش های دیگر، سریعتر کار می کنند اما جزئیات ساختاری کمتری فراهم می کنند و سایر روش ها جزئیات فضائی و زمانی را ارائه می دهند اما گران هستند یا فقط در مکان های محدود موجود هستند. Seita می گوید که ترکیب جدید از این روش ها می تواند به غلبه بر این محدودیت ها و ایجاد تصاویر با سرعت زیاد، قدرت تفکیک بالا و هزینه کم کمک کند.
در فلزات چندبلوری، که از دانه های باوری کوچک بسیاری تشکیل شده اند، دانستن موقعیت، ابعاد، زوایای تماس و سایر مشخصات دانه های مختلف سازنده ماده مهم است. Seita می گوید:” بویژه، فصل مشترک های بین دانه های بلوری که مرزدانه نامیده می شوند برای بسیاری از خواص ماده مانند استحکام، تلرانس تشعشعی، سختی، مقاومت الکتریکی و غیره مهم هستند اما مشخصه یابی آنها بطور آزمایشگاهی بسیار دشوار است زیرا مرزدانه ها بسیار پیچیده هستند.”
پنج مشخصه درباره این مرزدانه ها وجود دارد که محققان خواهان کمیت یابی آنها هستند اما بیشتر ابزارهای مربوط به مطالعه این مواد می تواند منجر به کمیت یابی دو یا سه زیر مجموعه از این مشخصات شود. یک روش برای بدست آوردن همه پنج مشخصه در آن واحد، تشعشع سینکروترونی پرانرژی است که فقط در چند وسیله که گران بوده و معمولا تقاضای استفاده از آنها بیش از اندازه است موجد هستند.
Seita می گوید: ” راه حل ما تلاش برای ایجاد یک فناوری بسیار ساده است که هرکس در آزمایشگاه خود با استفاده از نرم افزار و سخت افزاری که براحتی در دسترس باشد بتواند از آن استفاده کند.” و آنچه که بدست آورده اند با استفاده از دو روش موجود یعنی میکروسکوپ نوری میکروسکوپ الکترونی بوده است.
وی توضیح می دهد:” ما از دو مجموعه داده مختلف برای مشاهده جزئیات ساختار بلوری فلز استفاده کرده و آنها را با استفاده از تحلیل تصویری عددی ترکیب می کنیم.” برای انجام چنین کاری، آنها از ورق های فویل فلزی چندبلوری استفاده کردند که به حد کافی نازک بودند تا بتوان تک دانه ها را از هردو طرف مشاهده کرد. سپس آنها تصاویر میکروسکوپی از یک سمت فویل گرفتند، ورق را چرخاندند و از جانب دیگر نیز تصویر گرفتند و ار نرم افزار برای اتصال مرزدانه ها از یک سمت به سمت دیگر استفاده کردند. وی می گوید:” به این طریق می-توانیم جهت گیری سه بعدی این مرزدانه ها را بازسازی کنیم.”
آنگاه، آن اطلاعات با تصاویر میکروسکوپ الکترونی ترکیب می شود تا الگوی واقعی اتم های درون دانه را که نشان دهنده جهتگیری شبکه های بلوری مجزا درون هر دانه است و نیز چگونگی ارتباط دانه ها با دانه ای مجاور را توصیف کند. اطلاعات ترکیبی، همه پنج مشخصه مرزدانه ها را در فویل های فلزی فراهم می کند.
Seita می گوید” خوبی این روش در توان و بازدهی بالای این فناوری است. روی یک نمونه می توانیم تا ۵۰۰ مرزدانه یا بیشتر را بشماریم و می توانیم به سرعت مجموعه داده را بسازیم و البته این روش غیرمخرب است”، برخلاف روش های موجود که نمونه را در فرآیند مصرف می کنند. این بدان معناست که می توان سپس نمونه را در معرض سایر تست ها مانند مکانیکی و الکتریکی قرار داد که نتایج آنها را می توان با داده های مربوط به مرزدانه ها مقایسه کرد.
Seita می گوید: ” این روش جدید بسیار تطبیق پذیر است بطوری که گروه های بسیاری می توانند از آن استفاده کنند.” بعلاوه، اگرچه آزمایش های اولیه با فلزات چندبلوری انجام گرفت اما این روش مستقل از نوع ماده است و می توان آن را برای عایق ها، نیمه رساناها نیز علاوه بر فلزات بکار برد. Seita ادامه می دهد:” ما می توانیم این روش را برای انواع مختلف خواص آزمایش کرده و مجموعه های داده بزرگی ایجاد کنیم و در نهایت از داده ها برای پیش بینی مشخصات مواد چندبلوری جدید استفاده کنیم.”
وی می گوید:” ما می توانیم بفهمیم چه نوع مرزدانه ای برای یک ماده طراحی شده برای یک کاربرد خواص می خواهیم و بفهمیم چگونه ماده ای با آن مرزدانه ها بسازیم. دستکاری مشخصات این مرزدانه ها با اصلاح کردن ماده برای افزایش فراوانی این مرزدانه ها یا جهت گیری نسبی آنها می تواند تغییرات اساسی ای در خاصیت ماده ایجاد کند. در نتیجه، برای نمونه، این روش ممکن است برای دانستن اینکه چگونه نرخ خوردگی فلزات قرارگرفته در معرض محیط های ناملایم نظیر تجهیزات حفاری نفت را می توان کاهش داد بکار برد.”
Brad Boyce، عضو برجسته گروه فنی آزمایشگاه های ملی Sandia در نیومکزیکو که در این پژوهش درگیر نبوده است می گوید:” مشاهده جزئیات ساختار بلوری فلز یک گام الهام بخش روبه جلو در مشخصه یابی سریع و پرداده ساختار مواد بلوری است. مرزدانه ها که فصل مشترک های قطع کننده در شبکه بلوری چندبلوری ها هستند بر محدوده وسیعی از پدیده های مواد، از اینکه چگونه موا تغییرشکل می دهند تا مقاومت الکتریکی اثر می گذارند. با این حال، دانشمندان مواد، روش های کمی برای شناسایی مشخصات مرزدانه در اختیار دارند.”
وی ادامه می دهد:” اکنون با این روش جدبد، من برای مشاهده اینکه چگونه این کار باعث پیشرفت های بیشتری که باعث مشخصه یابی سریع و با بازدهی بالا می شود هیجان زده هستم بویژه برای دیدن روش هایی که می توان برای کشف مشخصات موضعی مرزدانه در پایین تر از محدوده قدرت تفکیک فضایی میکروسکوپ نوری استفاده نمود.

منبع : news.mit.edu

ترجمه : محسن حاجی زمانی