بسیاری از فن‌آوری‌های اخیر و آینده نیاز به آلیاژهای فلزی ای دارند که می‌توانند در برابر درجه‌حرارت‌های 600 درجه سانتی گراد و بالاتر بدون خوردگی مقاومت کنند . محققان در دانشگاه تکنولوژی چالمرز در سوئد پیشرفت بزرگی در درک چگونگی رفتار این آلیاژها در دماهای بالا کرده اند که منجر به پیشرفت در بسیاری از تکنولوژی‌ها می شود. آنها یافته‌های خود را در یک مقاله در Nature Materials منتشر کردند.
توسعه آلیاژ های با قابلیت تحمل دمای بالا بدون خوردگی، چالش کلیدی برای بسیاری از زمینه ها از جمله فن‌آوری‌های انرژی تجدیدپذیر و پایدار مانند انرژی خورشیدی متمرکز و سلول‌های سوختی اکسید جامد و همچنین هوانوردی , فرآوری مواد و پتروشیمی است .
در دماهای بالا , آلیاژها شدیداً با محیط خود واکنش می‌دهند و ماده به سرعت تخریب می‌شود. برای محافظت در برابر این پدیده، تمام آلیاژهای دما بالا برای تشکیل لایه ی اکسیدی محافظ طراحی شده‌اند که معمولا شامل اکسید آلومینیوم یا اکسید کروم می شود. این لایه اکسیدی نقش تعیین‌کننده‌ای در جلوگیری از خوردگی فلزات دارد. بنابراین تحقیقات در مورد خوردگی دما بالا متمرکز بر این اکسیدهاست – چگونگی تشکیل آنها، نحوه عملکرد آنها در حرارت بالا و چگونگی شکست آنها.
مقاله مورد اشاره در Nature Material به دو مساله کلاسیک مربوط به آلیاژهای دما بالا اشاره می‌کند . یکی از این موارد استفاده از مواد افزودنی به اصطلاح ” عناصر واکنش دهنده (reactive elements) ” -معمولاً ییتریم و زیرکنیم- است که اغلب در آلیاژهای دما بالا به مقدار کم وجود دارد . مساله دوم در مورد نقش بخار آب است .
نوشین مرتضوی، محقق مواد در دپارتمان فیزیک چالمرز و نویسنده اول مقاله، توضیح می‌دهد : ” افزودن عناصر واکنشی به آلیاژ منجر به بهبود شدید در عملکرد می‌شود، اما تا کنون هیچ کس قادر به ارائه مدرک آزمایشی قوی برای دلیل این پدیده نبوده است. ” ” همچنین نقش آب که همیشه در محیط‌های با دمای بالا به شکل بخار وجود دارد بسیار کم درک شده است . مقاله ما به حل این معماها کمک خواهد کرد. ”
نوشین مرتضوی از دانشگاه تکنولوژی چالمرز با یک میکروسکوپ الکترونی عبوری تایتان که برای بررسی اکسیدهای نانوکریستالی که روی آلیاژهای دما بالا تشکیل می شوند، مورد استفاده قرار گرفته است.
محققان چالمرز در این مقاله نشان می‌دهند که این دو مساله چگونه به یکدیگر مرتبط هستند . آنها کشف کردند که نه تنها عناصر واکنشی در آلیاژ، رشد لایه ی اکسید آلومینیوم را افزایش می‌دهند , بلکه باعث می‌شوند که مقیاس اکسید به جای بیرون، به داخل رشد کند. این امر انتقال آب را از محیط به سمت بستر آلیاژ تسهیل می‌کند. عناصر واکنش پذیر و آب با هم برای رشد سربع یک لایه اکسیدی نانو کریستال همکاری می کنند.
بنا بر گفته لارس گونار جوهانسون، پروفسور شیمی غیرآلی دانشگاه چالمرز، رییس مرکز HTC و نویسنده مشترک این مقاله، ” این مقاله بسیاری از حقایق پذیرفته شده در علم خوردگی دما بالا را به چالش کشیده و راه های جذاب جدیدی را در تحقیق و طراحی آلیاژ گشوده است. ”
بنا بر گفته مرتضوی، ” همه در صنعت منتظر این اکتشاف بودند. این یک تغییر پارادایم در زمینه اکسیداسیون دما بالا است. ” ” ما اکنون در حال ایجاد اصول جدیدی برای درک مکانیسم‌های تخریب در این دسته از مواد در دمای بسیار بالا هستیم. ”
علاوه بر اکتشافات آنها، محققان چالمرز همچنین یک روش عملی برای ایجاد آلیاژهای با مقاومت بیشتر پیشنهاد داده‌اند . آنها نشان دادند که یک اندازه بحرانی برای ذرات عناصر واکنش دهنده وجود دارد . بالاتر از یک اندازه مشخص، ذرات موجب ایجاد ترک در اکسید می شود که راهی ساده برای گازهای خورنده به آلیاژ فراهم می کند. در واقع با کنترل توزیع سایز ذرات عناصر واکنش دهنده در آلیاژ می توان پوسته های اکسیدی محافظ بهتری دست یافت.
این تحقیق پیشرو از دانشگاه تکنولوژی چالمرز راه را به سمت آلیاژهای قوی‌تر، امن‌تر و مقاوم‌تر در آینده نشان می دهد.
پی نوشت 1: دکتر نوشین مرتضوی محقق پست دکترای دپارتمان فیزیک دانشگاه چالمرز سوئد هستند. ایشان به تازگی برنده بورسیه های معتبر بنیاد Wenner-Gren و بنیاد Wallenberg شده اند. اکنون ایشان می توانند بین گذراندن دوره پست دکترا در دانشگاه هارواد و دانشگاه استنفورد درآمریکا انتخاب نمایند.
پی نوشت 2: این خبر به دلیل اهمیت علمی و بدون اطلاع از ایرانی بودن محقق این پژوهش انتخاب شد. موجب افتخار گروه متک است که برای پوشش اخبار دستآورد های علمی پژوهشگران ایرانی نیازی به اغراق و حتی جستجوی نام آنها نیست و می توان این اخبار را از صدر خبرهای علمی سایت های معتبر پیدا کرد.
لینک مقاله جهت مطالعه:
