إن تصغير مقاييس أبعاد المواد الرامي إلى إنتاج حبيبات نانوية الأبعاد يؤثر بالإيجاب على كل خواص المادة ويميزها عن مثيلتها من المواد المناظرة التي لها التركيب الكيميائي نفسه. وتأتي الخواص الميكانيكية للمادة على رأس قائمة تلك الخواص المستفيدة من صغر أحجام الحبيبات ووجود أعداد ضخمة من ذرات المادة على أسطحها الخارجية. فعلى سبيل المثال، ترتفع قيم الصلادة Hardness ⁽⁵⁾ للمواد الفلزية وسبائكها وكذلك تزيد مقاومتها Strength ⁽⁶⁾ لمواجهة إجهادات الأحمال المختلفة الواقعة عليها، وذلك من خلال تصغير مقاييس حبيبات المادة والتحكم في ترتيب ذراتها ⁽⁷⁾.

ويؤدي تصغير مقاييس حبيبات المواد السيراميكية إلى اكتسابها مزيدا من المتانة Toughness ⁽⁸⁾، وهي صفة لا توجد في مواد السيراميك المعروفة بقصافتها Brittleness ⁽⁹⁾ ومقاومتها للتشكيل Deformation ⁽¹⁰⁾، وقد أظهرت نتائج الأبحاث الرامية إلى تطوير المواد السيراميكية ورفع قيم متانتها وقابليتها للتشكيل وتحمل إجهادات الصدم Impact إلى تخليق أنواع جديدة من تلك المواد تستأثر لنفسها الجمع بين صفة المتانة العالية والقابلية للتشكيل، علاوة على تمتعها بالصلادة الفائقة وارتفاع مقاومتها للإجهادات الخارجية والصمود أمام قيمها العالية. وقد تأتى ذلك كله من خلال تصغير حجم حبيبات المادة إلى ما دون 10 نانومترات ⁽¹¹⁾.

وقد فتحت تلك الأبحاث وغيرها الباب على مصراعيه أمام الفئات الجديدة من المواد النانوية كي تُستخدَم وتوظف في مجالات متنوعة مثل مجال القواطع الحادة وأدوات الحفر فائقة الصلادة والمتانة المستخدمة في مجال حفر آبار البترول والمياه. كذلك تستخدم تلك الحبيبات في مجال تغطية الأسطح المعرضة لعوامل الصدأ والتآكل. فعلى سبيل المثال، تستخدم حبيبات كربيد التيتانيوم ⁽¹²⁾ وكربيد التنجستن ⁽¹³⁾ في تصنيع تلك العدد وأدوات القطع والحفر المستخدمة في تقطيع الأجسام شديدة الصلادة، وكذلك في الوصول إلى مكامن زيت النفط وبحيرات المياه الجوفية من خلال التعامل مع صخور الطبقات الجيولوجية عالية الصلادة، وذلك بدلا من استخدام مادة الماس الأسود مرتفع الثمن، والذي تنخفض خواصه عن خواص هذه المواد النانوية الجديدة. تجد الحبيبات النانوية الآن مرتفعة الصلادة والمتانة، مثل حبيبات مادة أكسيد الألومنيوم وأكسيد الزركونيوم مجالا تطبيقيا مهما، حيث توظف في تغليف الأسطح الداخلية لأسطوانات المحركات من أجل زيادة العمر الافتراضي لتلك المحركات ووقايتها من التآكل بالصدأ الذي تتعرض له في أثناء التشغيل نتيجة لتلامس مكوناتها الفلزية بعضها مع بعض، خاصة في الأماكن المرتفعة الحرارة والتي تفقد معها الزيوت المستخدمة في التبريد كفاءتها، وذلك نظرا إلى انخفاض كثافتها عند تلك الظروف السيئة من التشغيل. وقد أدى استخدام تلك الأغلفة الواقية إلى عدم تغير مقاييس أبعاد أسطوانات المحركات والمحافظة على أشكالها وأبعادها الأصلية، الأمر الذي زادت معه كفاءة المحركات وانخفضت معدلات استهلاك الوقود وزيوت التشحيم والتبريد، مما نتج عنه انخفاض في: كمية عوادم الاحتراق.

وتعمد بعض من شركات إنتاج السيارات إلى إضافة مواد داعمة مخلقة من الحبيبات النانوية للأكاسيد الفلزية، وكذلك الكربيدات، إلى السبائك الفلزية المستخدمة في إنتاج أجسام وهياكل تلك السيارات وذلك بغرض رفع قدرتها على تحمل الصدمات الناتجة عن الحوادث المرورية الخفيفة والمتوسطة.

وتعد الأغلفة المؤلفة من حبيبات النانو الفلزية التي تُدمج مع حبيبات أخرى من مواد سيراميكية، أحد المفاتيح الرئيسية المهمة الموظفة في صناعة أجسام الطائرات والمركبات الفضائية الأخرى، وتحاشي ظاهرة الإجهادات الواقعة عليها نتيجة تعرض أجسام هياكلها الخارجية للوهن والضعف الذي كان السبب الرئيسي لوقوع الكثير من حوادث تحطم طائرات الركاب بشكل ملحوظ خلال النصف الثاني من القرن العشرين. وتعمل الحبيبات النانوية المكونة للأغلفة التي تغطى بها أسطح هياكل المركبات الفضائية بمنع امتداد أي شروخ تقع على الجسم ووقف تقدمها وزحفها، مما يحافظ على سلامة ومتانة الطائرات، ويزيد من أعمارها الافتراضية إلى نسب تتراوح بين 200% و300%. تجدر الإشارة إلى أن ارتفاع قدرة المواد النانوية في وقف امتداد الشروخ بأجسام المركبات الفضائية ناتج عن تناهي صغر مقاييس أبعاد حبيباتها، مما يعني زيادة كبيرة في عدد الحدود الحبيبية التي تقوم بوقف وصد امتداد الشرخ وزحفة في الجسم الفلزة للمركبة. أي أنه مع تناقص أبعاد الحبيبات وصغرها إلى ما دون 100 نانومتر، تزداد أعدادها ومن ثم تزداد أعداد حدودها الحبيبية التي تفصل كل حبيبة عن الأخرى،

_____________________________________
هوامش

(5) تُعرف الصلادة في المواد بأنها الخاصية التي تتمتع بها المادة لمقاومة الخدوش الحادثة على سطحها جراء تعرض هذه الأسطح لأي إجهادات خارجية.

(6) يُقصد بمقاومة المادة مدى صمودها في مواجهة الإجهادات المختلفة التي تتعرض لها في أثناء التشغيل، سواء كانت هذه الإجهادات ساكنة أو ديناميكية متحركة ومتغيرة القيمة والاتجاه من دون وقوع انهيار بها.

(7) M. Sherif El–Eskandarany and A. Inoue, J. Mater. Res., Vol. 21 (2006) pp. 976–987.

(8) المتانة هي خاصية تُمكن المادة من استيعاب الإجهادات الخارجية للأحمال الديناميكية الواقعة عليها مثل إجهادات الصدم والطرق من دون أن تنهار أو تظهر عليها أي تغيرات في أبعادها وأحجامها.

(9) يُقصد بالقصافة عجز المادة عن استيعاب إجهادات الأحمال الديناميكية. التي تتعرض لها بشكل مباغت من دون أن تنهار أو يحدث بهيكلها أي عيوب أو شروخ نتيجة تعرضها لتلك الإجهادات. فمثلا، لا تُبدي فناجين القهوة أو الشاي استعداد لتقبل الصدمات الواقعة عليها جراء تعرضها للوقوع من ارتفاعات عالية أو نتيجة الطرق عليها. ويؤثر الترتيب الذري والروابط الأيونية التي تربط بين ذرات أغلب المواد السيراميكية في تعزيز وتأصيل هذه الصفة التي تجعلها مواد غير قابلة للتشكيل عن طريق الطرق والسحب.

(10) قابلية المادة للتشكيل صفة تتمتع بها كل الفلزات وسبائكها مما يجعلها قابلة لأن تُسحب إلى أسلاك رفيعة، مثل أسلاك النحاس المستخدمة في التطبيقات الكهربية أو شرائح ورقائق، مثل رقائق الألومنيوم المستخدمة في أغراض إعداد الأطعمة والأغراض الأخرى. وعلى النقيض من الرابطة الأيونية في المواد السيراميكية، فإن الرابطة الفلزية التي تربط بين ذرات الفلزات المختلفة قد أضفت عليها القابلية للتشكيل، وذلك نظرا إلى تواجد إلكترونات هذه المواد الفلزية في صورة حرة غير تلك الصورة المقيدة التي توجد عليها بالرابطة الأيونية.

(11) M. Sherif El–Eskandarany, J. of Alloys Comp., Vol. 296 (2000) pp. 175–182.

(12) M. Sherif El–Eskandarany, J. of Alloys Comp., Vol. 305 (2000) pp. 219–224.

(13) M. Sherif El–Eskandarany, Amir A. El–Mahdy, H.A. Ahmed and A.A. Amer, J. of Alloys Comp., Vol. 312 (2000) pp. 315–325.