تقدم جديد في أبحاث مكافحة الشيخوخة للمواد الزجاجية

في الآونة الأخيرة، تعاون معهد الميكانيكا التابع للأكاديمية الصينية للعلوم مع باحثين في الداخل والخارج لإحراز تقدم جديد في مقاومة شيخوخة المواد الزجاجية، ولأول مرة أدرك تجريبيًا البنية الشابة للغاية للزجاج المعدني النموذجي في مقياس زمني فائق السرعة. النتائج ذات الصلة تحمل عنوان التجديد الفائق السرعة للنظارات المعدنية عن طريق ضغط الصدمات، المنشورة في Science Advances (Science Advances 5: eaaw6249 (2019)).

تميل المادة الزجاجية شبه المستقرة إلى الشيخوخة التلقائية إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري، وفي الوقت نفسه، يصاحبها تدهور في خصائص المادة. ومع ذلك، من خلال مدخلات الطاقة الخارجية، يمكن للمادة الزجاجية القديمة تجديد الهيكل (التجديد). تساهم عملية مكافحة الشيخوخة هذه من ناحية في الفهم الأساسي للسلوك الديناميكي المعقد للزجاج، ومن ناحية أخرى، فهي تساعد أيضًا في التطبيق الهندسي للمواد الزجاجية. في السنوات الأخيرة، بالنسبة للمواد الزجاجية المعدنية ذات آفاق التطبيق الواسعة، تم اقتراح سلسلة من طرق التجديد الهيكلي القائمة على التشوه غير المتقارب من أجل التحكم الفعال في الخواص الميكانيكية والفيزيائية للمواد. ومع ذلك، فإن جميع طرق التجديد السابقة تعمل عند مستويات إجهاد أقل وتتطلب نطاقًا زمنيًا طويلًا بما فيه الكفاية، وبالتالي لها قيود كبيرة.

أدرك الباحثون، استنادًا إلى تقنية تأثير اللوحة ثنائية الهدف لجهاز مسدس الغاز الخفيف، أن الزجاج المعدني النموذجي المعتمد على الزركونيوم يتجدد بسرعة إلى مستوى عالٍ في حوالي 365 نانو ثانية (واحد على المليون من الوقت الذي يستغرقه الشخص لرمش عينه). العين). المحتوى الحراري مضطرب للغاية. يتمثل التحدي الذي تواجهه هذه التقنية في تطبيق العديد من التحميل أحادي النبض على مستوى GPa والتفريغ التلقائي العابر على الزجاج المعدني، وذلك لتجنب الفشل الديناميكي للمواد مثل أشرطة القص والتشظي؛ في الوقت نفسه، من خلال التحكم في سرعة تأثير النشرة، فإن المعدن الذي يتم تجديده بسرعة من الزجاج "يتجمد" على مستويات مختلفة.

أجرى الباحثون دراسة شاملة حول عملية التجديد فائقة السرعة للزجاج المعدني من منظور الديناميكا الحرارية والبنية متعددة النطاق وديناميكيات الفونون "قمة بوز"، وكشفوا أن تجديد الهيكل الزجاجي يأتي من مجموعات نانوية الحجم. الحجم الحر الناجم عن وضع "انتقال القص". بناءً على هذه الآلية الفيزيائية، تم تحديد رقم ديبورا بدون أبعاد، وهو ما يفسر إمكانية النطاق الزمني لتجديد الزجاج المعدني بسرعة فائقة. أدى هذا العمل إلى زيادة النطاق الزمني لتجديد الهياكل الزجاجية المعدنية بمقدار 10 مرات على الأقل، وتوسيع مجالات تطبيق هذا النوع من المواد، وتعميق فهم الناس لديناميكيات الزجاج فائقة السرعة.