يُقصد بالمواد المطيلة هنا، تلك المواد التي تتمتع بالقدرة على التشكل المتمثل في تغير أبعادها وأشكال هياكلها الخارجية عند تعرضها للإجهادات الخارجية الواقعة عليها. وتضم فئة المواد المطيلة جميع عناصر المواد الفلزية، مثل النحاس، والألومنيوم والحديد، وغيرها من الفلزات والسبائك الفلزية، مثل سبائك الحديد، وسبائك الذهب، وسبائك التيتانيوم. والتشكل الذي تبديه حبيبات المواد المطيلة يُعبر عن مقاومتها للحمل المؤثر فيها من دون أن تنهار وتفصل حبيباتها، كما هي الحال في المواد القصفة. ومن ثم، فإن تصغير حبيبات تلك المواد عن طريق تعريضها للإجهادات المتولدة من الكرات المتصادمة داخل طواحين الكرات يخضع لميكانيكية خاصة، تختلف عن تلك الموضحة في المواد القصفة، وذلك نظرا إلى اختلاف نوع الرابطة الكيميائية، واختلاف الترتيب الذري بين المادتين؛ القصفة والمطيلة. ويجري تصغير حبيبات المواد المطيلة على عدة مراحل كما يلي:

– المرحلة الأولى: عند تعريض جسيمات المواد المطيلة إلى قوى الضغط والصدم الناشئة داخل طواحين الكرات، فإن جسيمات تلك المواد تبدأ في التفلطح والاستطالة وتقل ثخانتها (سمكها)، مما ينجم عنه تغير بأحجامها. ونظرا إلى قابلية تلك المواد على التشكل، فإن مساحيقها في هذه المرحلة المبكرة من مراحل الطحن الميكانيكي تبدأ في التجمع بعضها مع بعض على صورة تكتل حبيبي كروي مكونة في هذا التجمع حبيبات كبيرة الأحجام تصل أبعاد أقطارها إلى مئات الآلاف من النانومترات، كما هو موضح في الشكل (6 – 4 «أ») الذي يعرض صورة مجهرية لعينة فلزية من مسحوق سبيكة النيوبيوم N بعد طحنها ميكانيكيا بواسطة طاحونة كور عالية القدرة لمدة ست ساعات ⁽¹⁵⁾. هذا ويعرض الشكل (6 – 4 «ب») الهيئة الداخلية للب حبيبة واحدة من حبيبات سبيكة الكوبالت تيتانيوم Co₇₅Ti₂₅، بعد طحنها مدة نصف ساعة ⁽¹⁶⁾. ويتضح من الشكل الأخير النزعة التي تبديها الحبيبات الفلزية للتجمع والالتصاق بعضها ببعض عند تعرض مسحوق المادة إلى إجهادات تقع عليها في أثناء عملية الطحن.

– المرحلة الثانية: بعد نمو أقطار حبيبات المادة وزيادة أحجامها خلال الدقائق الزمنية الأولى لعملية الطحن، تبدأ كتل الحبيبات المتجمعة في امتصاص مزيد من الإجهادات المتولدة عن عملية الطحن، مما يسفر عن وقوع تشوهات لدنة Plastic Deformations بالشبكة البلورية (الشكل 6 – 5 «أ»)، وهي تشوهات دائمة لا تزول بزوال الإجهاد المؤثر. ومع زيادة الفترة الزمنية للطحن، تتزايد كثافة قوى القص المؤثرة في حبيبات المادة، الأمر الذي تنجم عنه تشوهات ضخمة بالشبكة البلورية للمادة، وانزلاقات شديدة بأعمدة وصفوف تلك الشبكة.

– المرحلة الثالثة: ومع زيادة الفترة الزمنية للطحن الميكانيكي، تتزايد كثافة تلك التشوهات المتراكمة بالشبكة، مما يؤدي إلى ضعف في مقاومة المادة لها، فتقل قدرتها على استيعاب المزيد من الإجهادات المؤثرة، وينتهي الأمر إلى أن تخضع الحبيبات وتجنح في أن تنخلع على امتداد حدودها البينة، الفاصلة بينها وبين الحبيبات المتاخمة الأخرى، مكونة بذلك حبيبات أصغر حجما.

الشكل (6 – 4): (أ) صور مجهرية أُخذت بواسطة الميكروسكوب الماسح الإلكتروني لعينة من سبيكة Nb₅₀ Zr₁₀ Al₁₀ Ni₁₀ Cu₂₀ الفلزية بعد طحنها لمدة ست ساعات توضح المظهر الخارجي لحبيبات السبيكة التي تكتلت بعضها مع بعض، لتؤلف حبيبة ضخمة، يصل مقياس بعدها القطري إلى أكثر من مليون نانومتر ⁽¹⁵⁾. ويوضح الشكل (ب) صورة مجهرية أخذت بواسطة الميكروسكوب النافذ الإلكتروني، تبين تكتل حبيبات عنصري التيتانيوم Ti والكوبالت Co بعضها مع بعض لتكوين بنية اللب الداخلي الحبيبة واحدة من حبيبات سبيكة Co₇₅ Ti₂₅طحنت لمدة 12 ساعة ⁽¹⁶⁾.

– المرحلة الرابعة: ومع زيادة الفترة الزمنية التي تتعرض فيها مساحيق حبيبات المادة للطحن الميكانيكي المتواصل وازدياد الإجهادات الواقعة على الأسطح الخارجية للحبيبات، يزداد تفتت المساحيق لتصل أبعاد أقطارها الظاهرية إلى أقل من 400 نانومتر، كما هو مبين في الشكل (6 – 5 «أ») الذي يعرض صورة مجهرية أُخذت بالميكروسكوب الماسح الإلكتروني لمسحوق عينة من عينات سبيكة التيتانيوم بعد طحنها مدة 200 ساعة. هذا في الوقت الذي تتزايد فيه أيضا الانهيارات داخل الشبكة البلورية للمادة، مما يؤدي إلى مزيد من تفتت الحبيبات وانفصالها بعضها عن بعض، لتتكون بذلك حبيبات نانوية فائقة النعومة، تقل مقاييس أبعاد أقطارها عن 5 نانومترات (الشكل 6 – 5 «ب») ⁽¹⁷⁾.

الشكل (5 – 6): (أ) صور مجهرية أخذت بواسطة الميكروسكوب الماسح الإلكتروني العينة من حبيبات إحدى سبائك التيتانيوم الفلزية Ti₆₀ Al₁₅ Ni₁₀ Cu₁₀ Zr₁₀ W₁₀ حصل عليها بعد 200 ساعة من الطحن باستخدام طاحونة كرات عالية القدرة. والصورة توضح المظهر الخارجي لحبيبات السبيكة، التي تقل مقاييس أبعاد أقطارها الظاهرية عن 500 نانومتر.

ويصور الشكل (ب) صورة مجهرية للبنية الداخلية لحبيبة من حبيبات السبيكة كما يصورها لنا الميكروسكوب النافذ الإلكتروني، والتي توضح أنها تتألف من حبيبات فرعية دقيقة ذات أبعاد نانومترية. لا تتجاوز مقاييسها 5 نانومتر ⁽¹⁷⁾.

________________________________
هوامش

(15) M. Sherif El–Eskandarany, M. Matsushita, and A. Inoue, J. of Alloys Comp. Vol. 329 (2001) pp. 239–252

(16) M. Sherif El–Eskandarany, Wei Zhang, and A. Inoue, J. Mater. Res., Vol. 17 (2002) pp. 2447–2456.

(17) M. Sherif El–Eskandarany and A. Inoue, Met. Trans., Vol. 37 A (2006) pp. 2231–2238.

مواضيع ذات صلة

The mean free path

Collisions between molecules

The specific heats of gases

Atomic processes

حساسات أنابيب الكربون النانوية

المحفزات النانوية

الطرق المستخدمة في الطلاء النانوي

مواد الطلاء النانوية واستخداماتها

تطبيقات الاسلاك النانوية

ماهي الاسلاك النانوية

الأسلاك النانوية

تصنيف المتراكبات النانوية وتطبيقاتها