به گزارش خبرنگار ایراسین، در قلب علم و مهندسی مواد، یک بده‌بستان بنیادی و تاریخی وجود دارد که بیش از یک قرن است طراحان و مهندسان را با محدودیت‌های جدی روبه‌رو کرده است: پارادوکس «استحکام در برابر شکل‌پذیری»! استحکام به توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی یا شکست تحت بار اشاره دارد؛ مانند ستونی فولادی که وزن یک ساختمان را تحمل می‌کند، در مقابل شکل‌پذیری به قابلیت یک ماده برای کشیده شدن، خم شدن یا تغییر شکل پلاستیکی بدون شکست مربوط است؛ همچون سیم مسی که به‌راحتی خم می‌شود. مشکل اصلی اینجاست که این دو ویژگی به‌طورمعمول در تضاد کامل با یکدیگر قرار دارند.

روش‌های سنتی افزایش استحکام فلزات(همچون کار سرد (نورد یا کشش)»بر پایه ایجاد موانعی در ساختار کریستالی ماده برای جلوگیری از حرکت «نابجایی‌ها» استوارند. نابجایی‌ها نقص‌های خطی در شبکه اتمی فلز هستند و حرکت آن‌ها عامل اصلی تغییر شکل پلاستیکی محسوب می‌شود. در فرآیند کار سرد، تراکم نابجایی‌ها افزایش یافته و به‌صورت شبکه‌هایی درهم‌تنیده موسوم به «ساختارهای نابجایی کم‌انرژی» (LEDS) تشکیل می‌شوند. این شبکه‌ها، مانند ترافیک سنگین در بزرگراه، حرکت نابجایی‌ها را متوقف کرده و استحکام ماده را افزایش می‌دهند؛ اما همین امر، شکل‌پذیری را از بین می‌برد.

وقتی مسیر حرکت نابجایی‌ها مسدود شود، ماده دیگر نمی‌تواند انرژی واردشده را از طریق تغییر شکل جذب کند و در نتیجه تحت فشار بیشتر، به‌صورت ناگهانی و فاجعه‌بار می‌شکند. این معضل، دانشمندان را بر آن داشت تا به‌دنبال روش‌هایی نوین باشند که بتواند هم استحکام را افزایش دهد و هم شکل‌پذیری را حفظ یا حتی بهبود بخشد—چالشی که حل آن نیازمند بازنگری در بنیادی‌ترین اصول رفتار مکانیکی فلزات بود، راه‌حل این پارادوکس دیرینه نه در یک آلیاژ جادویی، بلکه در یک فرایند ساخت انقلابی نهفته است ( تولید افزایشی (Additive Manufacturing)، و به‌ویژه تکنیک ذوب لیزری بستر پودر (LPBF)).

این فناوری که بیشتر با عنوان چاپ سه‌بعدی فلزات شناخته می‌شود، چیزی فراتر از تولید لایه‌به‌لایه قطعات است. در این فرآیند، ماده در شرایط فیزیکی بسیار دور از تعادل قرار می‌گیرد. در روش LPBF، پرتو لیزر با انرژی بالا به‌صورت دقیق بر بستر نازکی از پودر فلز تابیده می‌شود و آن را موضعی ذوب می‌کند. این حوضچه‌ی مذاب کوچک با حرکت لیزر به‌سرعت منجمد می‌شود و لایه‌ای از قطعه را می‌سازد. تکرار این چرخه، قطعه سه‌بعدی نهایی را شکل می‌دهد، سرعت فوق‌العاده‌ی انجماد(در حد میلیون‌ها درجه بر ثانیه)به اتم‌ها فرصت نمی‌دهد تا ساختارهای کریستالی پایدار و منظم تشکیل دهند. در نتیجه، اتم‌ها و عیوب ساختاری در حالت‌های پرانرژی و ناپایدار «منجمد» می‌شوند. این شرایط، دو پدیده را رقم می‌زند:

1. جدایش سریع املاح (Solute Segregation)، که طی آن عناصر آلیاژی مانند تیتانیوم فرصت توزیع یکنواخت نیافته و به مرزهای دانه‌ها رانده می‌شوند.

2. ایجاد تنش‌های حرارتی شدید (Thermal Stresses)، ناشی از اختلاف دمایی عظیم بین نقاط ذوب‌شده و نواحی اطراف.

این تنش‌ها به‌نوبه‌ی خود موجب ایجاد انبوه نابجایی‌ها می‌شوند. بنابراین LPBF نه تنها ابزار ساخت، بلکه آزمایشگاهی متالورژیکی در مقیاس میکرونی است که به پژوهشگران اجازه می‌دهد ریزساختارهایی بسازند که در طبیعت تعادلی هرگز شکل نمی‌گیرند؛ نتیجه‌ی این فرایند، شکل‌گیری یک ریزساختار سلسله‌مراتبی و بی‌سابقه است که دانشمندان آن را ساختارهای خودسازمان‌یافته جدایش–نابجایی (SD-SOS) نامیده‌اند، این ساختار شبیه شبکه‌ای لانه‌زنبوری با سلول‌هایی به قطر حدود ۵۶۰ نانومتر است. دیواره‌های این سلول‌ها حاصل دو پدیده‌ی یادشده‌اند:

• تجمع عناصر آلیاژی مانند تیتانیوم در دیواره‌ها که انرژی نقص انباشتگی را تغییر می‌دهد.
• تجمع نابجایی‌های پرانرژی که شبکه‌ای متراکم تشکیل می‌دهند.

ویژگی کلیدی این ساختار «خودسازمان‌یافته» بودن آن است؛ برخلاف شبکه‌های تصادفی حاصل از کار سرد، SD-SOS الگویی منظم و تکرارشونده دارد که تحت قوانین فیزیک عدم‌تعادل شکل گرفته و به حالتی بحرانی پایدار رسیده است. در اینجا، نابجایی‌ها که در گذشته «نقص» محسوب می‌شدند، به اجزای سازنده‌ی چارچوبی مکانیکی تبدیل شده‌اند.

دیواره‌های سلولی مملو از نابجایی و عناصر خاص‌اند، درحالی‌که فضای درون سلول‌ها عاری از نابجایی و آماده‌ی تغییر شکل پلاستیکی است. این تفکیک فضایی باعث می‌شود استحکام و شکل‌پذیری به‌صورت هم‌افزا عمل کنند.

زمانی که ماده تحت تنش مکانیکی قرار می‌گیرد، ساختار SD-SOS عملکردی دوگانه و بسیار کارآمد دارد.
دیواره‌های سلولی، هم منبع تولید نابجایی‌های تازه هستند و هم مانعی برای حرکت آن‌ها. هنگام اعمال نیرو، نابجایی‌های ذخیره‌شده از دیواره‌ها به سلول‌های مجاور تزریق می‌شوند و جریان پیوسته‌ای از تغییر شکل پلاستیکی ایجاد می‌کنند؛ این همان اساس شکل‌پذیری است.

در ادامه، نابجایی‌های جدید با دیواره‌های مقابل برخورد کرده و در آنجا قفل می‌شوند، ساختارهایی پایدار مانند قفل‌های لوومر–کاترل را ایجاد می‌کنند و استحکام ماده را افزایش می‌دهند. این چرخه‌ی تولید و ذخیره‌ی مداوم نابجایی‌ها، باعث توزیع یکنواخت تغییر شکل در کل حجم ماده می‌شود و از تمرکز تنش و آغاز شکست جلوگیری می‌کند. این تعامل هماهنگ، کلید دستیابی همزمان به استحکام بالا و شکل‌پذیری خارق‌العاده است.

این پژوهش فراتر از معرفی یک آلیاژ جدید است؛ نقطه‌ی آغاز پارادایم مهندسی نابجایی (Dislocation Engineering) به‌شمار می‌آید.

دهه‌هاست نابجایی‌ها به‌عنوان نقص‌هایی مزاحم شناخته می‌شدند، اما اکنون مهندسان می‌توانند آن‌ها را به‌طور هدفمند در معماری‌های مشخص سازمان‌دهی کنند تا خواص مواد را به‌طور چشمگیری ارتقا دهند، تمرکز آینده‌ی طراحی مواد از «ترکیب شیمیایی» صرف به سمت «معماری ریزساختاری» سوق پیدا کرده است، با کنترل دقیق پارامترهای فرآیندهای افزایشی—از توان لیزر گرفته تا سرعت اسکن—می‌توان ساختار داخلی آلیاژهایی همچون فولاد، آلومینیوم، تیتانیوم و سوپرآلیاژها را برای دستیابی به ترکیبات خاصی از خواص مکانیکی سفارشی‌سازی کرد.

این رویکرد، افق‌های تازه‌ای را برای کاربردهای افراطی می‌گشاید: از پره‌های توربین موتورهای جت نسل آینده و ایمپلنت‌های زیستی سبک و بادوام، تا سازه‌های فضایی با بیشترین استحکام و کمترین وزن.

ما در آستانه‌ی عصری نوین قرار داریم؛ عصر طراحی فعال مواد در مقیاس اتمی؛ عصری که در آن، مواد نه کشف می‌شوند بلکه مهندسی می‌گردند و محدودیت‌های دیرینه‌ی علم مواد، جای خود را به امکانات بی‌پایان خواهند داد.