علمِ مواد بیشترِ تاریخِ
خود را با آزمون و خطا و بهرهگیری از مشاورهی شیمیدانان سپری کرده تا موادِ
جدید و ویژگیهای آنها را دریابد. اما به تازگی توانِ روبهرشدِ رایانهها، نقشِ
روشهای محاسباتی را در این زمینه افزایش داده است. امروزه پژوهشگران ابزارهای
عددی را در طیفِ گستردهای بهکار میگیرند، از محاسبهی نخستین اصولِ مربوط به
ساختارِ اتمی تا شبیهسازیِ فروپاشیِ فلز به هنگامِ تصادفِ یک اتومبیل. Travis
Jones از Golden Colorado School of Mines, و همکارانشان در مقالهای درPhysical
Review Letters گزارش دادند که پیشرفتهترین
محاسباتِ کوانتومی و روشهای شبیهسازیِ خود را بهکارگرفتهاند تا آلیاژهای نوینی
بیابند که فولادِ بسیار مقاوم را از نظرِ ویژگیهای مکانیکی بهبود میبخشد.
یکی از کمیتهای مهم که ویژگیهای مکانیکیِ یک ماده را
کنترل میکند «کارِ لازم برای جداسازی» نامیده میشود و عبارتست از کمینهی انرژی
که لازم است تا از یک توده، دو سطحِ جدید ایجاد شود. گرچه اندازهگیریِ این کمیت
در آزمایشگاه دشوار است اما در گذشته پژوهشگران با بهکارگیریِ نظریهی تابعیِ
چگالی این کمیت را محاسبه کردهاند. Jones و همکارانش شبیهسازیِ رایانهای را با نظریهای
در حال پیشرفت با نام QTAIM (نظریهی کوانتومیِ اتمها درونِ مولکولها) درهم آمیختهاند تا توانِ
پیشگوییِ خود را در موردِ این مسئله افزایش دهند. آنها با این رهیافت میتوانند
توزیعِ چگالیِ بار درونِ یک ماده را ترسیم کرده و این موضوع را تحلیل کنند که این
توزیع چگونه بر قدرت و انرژیِ پیوندها اثر میگذارد. سپس به کمکِ این دانستهها، کارِ
لازم برای جداسازی را محاسبه میکنند.
T. E. Jones و همکاران
Phys. Rev. Lett. (2012)
این گروهِ پژوهشی با این
روش توانستند ویژگیهای مربوط به فولادهایی را بیابند که با اضافه کردن افزودنیهای
سرامیکی مانند کربیدِ تیتانیوم، مقاوم شده بودند. مشاهداتِ این گروه دربارهی
آلیاژهایی انجام گرفته که دارای افزودنیهای رایج مانند نیکل بودهاند. این
مشاهدات رابطهای میانِ ساختارِ مواد و ویژگیهای آنها را نشان میدهد که در موردِ
این آلیاژها، شمارِ الکترونهای موجود در آن دسته از پیوندهای آهن که در همسایگیِ دوم
قرار دارند، کارِ لازم برای جداسازی را تعیین میکند (شکل را ببینید). شاید نوبتِ
آن رسیده است که شیوهی ساختِ آلیاژها را بهتر طراحی کنیم تا به فولادهایی سختتر
و مقاومتر دست بیابیم.
نویسنده: David
Voss
اعضای گروه پژوهشی:
Travis E. Jones, Mark E.
Eberhart, Scott Imlay, Craig Mackey, and Greg B. Olson
منبع:
http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.109.125506
Phys. Rev. Lett.
109, 125506 (2012) (Published September 20,
2012)
نویسنده خبر: دلارام میرفندرسکی