اكتشف علماء للمرة الأولى شقوقاً معدنية تندمج معاً دون أي تدخل بشري، مما عدّوه «اكتشافاً قد يغيّر النظريات العلمية الأساسية في هذا المجال». فإذا استطعنا تسخير هذه الظاهرة المكتشفة حديثاً، يمكن أن تؤدي إلى «ثورة هندسية» يمكن فيها للمحركات والجسور والطائرات أن تُصلح عيوبها ذاتياً وعكس الأضرار الناجمة عن التآكل والتلف، ما يجعلها أكثر أماناً وقدرة على العمل لفترات زمنية طويلة الأمد.
يعود الكشف لفريق بحثي من «مختبرات سانديا الوطنية» وجامعة «تكساس إيه آند إم» الأميركيين، الذي نُشرت النتائج التي توصلوا إليها بدورية «نيتشر»، 19 يونيو (حزيران). يقول مايكل ديمكوفيتش، الباحث الرئيسي بالدراسة والأستاذ في جامعة «تكساس إيه آند إم»، في تصريحات لـ«الشرق الأوسط»: «يوضح هذا الأمر أن التشققات في المعادن يمكن أن تلتئم دون تدخل خارجي مباشر».
والتلف الناتج عن الإجهاد هو إحدى الطرق التي تتلف بها الآلات وتنكسر في النهاية. ويتسبب الإجهاد أو الحركة المتكررة في تكوين تشققات مجهرية. بمرور الوقت، تنمو هذه الشقوق وتنتشر حتى تنفجر، مسببةً عطب الجهاز كله.
كان الشق الذي رآه عالم المواد في جامعة «سانديا الوطنية»، براد بويس، وفريقه البحثي، يختفي، واحداً من شقوق أخرى صغيرة متتابعة – تقاس بالنانومتر. قال بويس، في بيان صحافي صادر مع الدراسة: «كان هذا مذهلاً للغاية». وأضاف: «ما أكدناه هو أن المعادن لها قدرتها الذاتية والطبيعية على شفاء نفسها، على الأقل على المستوى النانوي».
وأوضح: «من مفاصل اللحامات في أجهزتنا الإلكترونية إلى محركات سياراتنا وإلى الجسور الضخمة، غالباً ما تتعطل هذه الهياكل بشكل غير متوقع بسبب التحميل الدوري الذي يؤدي لبدء التشقق والكسور في نهاية المطاف».
وتابع: «عندما تقع المشكلة، يتعين علينا تحمل تكاليف الاستبدال والوقت الضائع، أو حتى تحمل عواقب الإصابات أو الخسائر بالأرواح»، مشدداً على أن التأثير الاقتصادي لهذه الإخفاقات يُقاس بمئات المليارات من الدولارات كل عام في الولايات المتحدة.
ورغم أن العلماء ابتكروا بعض المواد القادرة على علاج عيوبها ذاتياً، لكن معظمها كان من البلاستيك، إلا أن فكرة المعدن القادر على علاج عيوبه ذاتياً كانت إلى حد بعيد تعدّ من الخيال العلمي. وأوضح بويس: «كان من المتوقع دائماً أن تزداد شروخ المعادن، لا أن تقل، حتى بعض المعادلات الأساسية التي نستخدمها لوصف نمو تلك التشققات تَحول دون إمكانية حدوث ذلك».
رؤية غير مسبوقة
عام 2013 بدأ مايكل ديمكوفيتش، الذي كان آنذاك أستاذاً مساعداً في قسم علوم وهندسة المواد بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، في دراسة «نظرية المواد التقليدية»، دراسة تحليلية قادته إلى نشر نظرية جديدة، بناءً على النتائج التي توصلت إليها عمليات المحاكاة الحاسوبية، مفادها أنه «في ظل ظروف معينة، يجب أن يكون المعدن قادراً على لحام الشقوق الناتجة عن عمليات الاهتراء والتلف». ليتم التدليل العملي على صحة نظريته، عن غير قصد، في مركز تقنيات النانو المتكاملة، وهي منشأة تابعة لوزارة الطاقة الأميركية وتديرها مختبرات سانديا ولوس ألاموس الوطنية بشكل مشترك.
خالد عطار، الأستاذ المشارك في جامعة تينيسي، الذي يعمل الآن أيضاً في مكتب الطاقة النووية التابع لوزارة الطاقة الأميركية، كان يدير تجربة لتقييم كيفية تشكل الشقوق وانتشارها من خلال قطعة من البلاتين بمقياس نانوي، باستخدام مجهر إلكتروني طوّروه لسحب نهايات المعدن بشكل متكرر 200 مرة في الثانية، في الوقت ذاته الذي تم فيه هذا الاكتشاف الجديد.
المثير للدهشة، أنه بعد نحو 40 دقيقة من التجربة، عكس الضرر المسار. اندمج أحد طرفي الشقوق معاً كما لو كان يستعيد وضعيته الأولى. بمرور الوقت، عاد الشق ولكن في اتجاه مختلف، ما أطلق عليه عطار آنذاك: «رؤية غير مسبوقة».
شارك بويس الذي كان على دراية بالنظرية نتائجه مع ديمكوفيتش. قال ديمكوفيتش: «كنت سعيداً جداً لسماع ذلك، بالطبع». ثم أعاد ديمكوفيتش صياغة التجربة على نموذج حاسوبي، مؤكداً أن الظاهرة التي شهدتها سانديا كانت هي نفسها التي وُضِعت نظريتها قبل سنوات.
وأضاف: «نعتقد أنه يمكن صنع مواد جديدة تعالج الشقوق لتقليل حالات الإجهاد. فالمواد التي تعالج التشققات يمكن أن تكون مقاومة للإجهاد».
يدعم هذا العمل البحثي، مكتب العلوم وعلوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة الأميركية؛ والإدارة الوطنية للأمن النووي والمؤسسة الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة. يقول بويس: «من المرجح أن يصبح مدى قابلية تعميم هذه النتائج موضوع بحث مكثف». وأضاف: «نُظهر أن هذا يحدث في المعادن النانوية في الفراغ. لكننا لا نعرف ما إذا كان يمكن أن يحدث هذا أيضاً في المعادن التقليدية في الهواء»، مشدداً على أنه رغم أن تلك الأمور لا تزال مجهولة، يظل الاكتشاف قفزة للأمام في علوم المواد.
وأضاف ديمكوفيتش: «التجارب التي أبلغنا عنها أُجريت في الفراغ. نحن مهتمون بمعرفة ما إذا كانت الشقوق المعرَّضة للهواء يمكن أن تلتئم أيضاً». قبل أن يختتم كلامه: «آمل أن تشجع هذه النتيجة الباحثين على النظر في أنه في ظل الظروف المناسبة، يمكن للمواد أن تفعل أشياء لم نتوقعها منها أبداً».
