يمكن لسبائك التنغستن الجديدة التي يتم تطويرها في مجموعة شوه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن تحل محل اليورانيوم المنضب في المقذوفات الخارقة للدروع. يعمل زاكاري كورديرو، طالب الدراسات العليا في علوم وهندسة المواد في السنة الرابعة، على مواد منخفضة السمية وعالية القوة وعالية الكثافة لاستبدال اليورانيوم المنضب في التطبيقات العسكرية الهيكلية. ويشكل اليورانيوم المنضب خطرا محتملا على صحة الجنود والمدنيين. يقول كورديرو: "هذا هو الدافع وراء محاولة استبداله".

سوف يتكاثر التنغستن العادي أو يصبح حادًا عند الاصطدام، وهو أسوأ أداء ممكن. لذا فإن التحدي يتمثل في تطوير سبيكة يمكن أن تضاهي أداء اليورانيوم المنضب، والتي تصبح ذاتية الشحذ لأنها تقطع المواد وتحافظ على أنف حاد عند الواجهة البينية للاختراق والهدف. "التنغستن في حد ذاته قوي وصلب بشكل استثنائي. يقول كورديرو: "لقد وضعنا عناصر سبائك أخرى لتصنيعها حتى نتمكن من دمجها في هذا الجسم السائب".

كانت سبيكة التنغستن مع الكروم والحديد (W-7Cr-9Fe) أقوى بكثير من سبائك التنغستن التجارية، حسبما أفاد كورديرو في ورقة بحثية شارك فيها كبير المؤلفين ورئيس قسم علوم وهندسة المواد كريستوفر شوه وزملاؤه في مجلة Metallurgical and Materials. المعاملات أ. تم تحقيق التحسين عن طريق ضغط المساحيق المعدنية في مكبس ساخن للتلبيد مدعوم ميدانيًا، مع أفضل نتيجة، مقاسة ببنية الحبوب الدقيقة وأعلى صلابة، تم تحقيقها في وقت معالجة قدره دقيقة واحدة عند 1200 درجة مئوية. أدت أوقات المعالجة الأطول وارتفاع درجات الحرارة إلى حبيبات خشنة وأداء ميكانيكي أضعف. كان من بين المؤلفين المشاركين طالب الدراسات العليا في الهندسة وعلوم المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مانسو بارك، وزميلة ما بعد الدكتوراه في أوك ريدج إميلي إل هوسكينز، والأستاذ المساعد في ولاية بويز ميغان فراري وطالب الدراسات العليا ستيفن ليفرز، والمهندس الميكانيكي في مختبر أبحاث الجيش وقائد الفريق بريان إي شوستر. كما تم إجراء اختبارات باليستية على نطاق فرعي لسبائك الحديد والتنغستن والكروم.

يقول كورديرو: "إذا كان بإمكانك صنع (سبيكة) التنغستن ذات البنية النانوية أو غير المتبلورة، فيجب أن تكون مادة باليستية مثالية حقًا". حصل كورديرو، وهو مواطن من بريدجووتر بولاية نيوجيرسي، على زمالة علوم وهندسة الدفاع الوطني (NDSEG) في عام 2012 من خلال مكتب القوات الجوية للبحث العلمي. ويتم تمويل أبحاثه من قبل وكالة الحد من التهديدات الدفاعية الأمريكية.

هيكل الحبوب متناهية الصغر

"الطريقة التي أصنع بها موادي هي معالجة المسحوق، حيث نقوم أولاً بتصنيع مسحوق بلوري نانوي ثم نقوم بدمجه في جسم ضخم. يقول كورديرو: "لكن التحدي يكمن في أن عملية الدمج تتطلب تعريض المادة لدرجات حرارة أعلى". يمكن أن يؤدي تسخين السبائك إلى درجات حرارة عالية إلى تضخم الحبيبات أو المجالات البلورية الفردية داخل المعدن، مما يضعفها. كان كورديرو قادرًا على تحقيق بنية حبيبية متناهية الصغر تبلغ حوالي 130 نانومترًا في W-7Cr-9Fe المضغوط، وهو ما تم تأكيده بواسطة صورة مجهرية إلكترونية. "باستخدام طريق معالجة المسحوق هذا، يمكننا صنع عينات كبيرة يصل قطرها إلى 2 سم، أو يمكن أن نصنع عينات أكبر، مع قوة ضغط ديناميكية تصل إلى 4 جيجا باسكال. يقول كورديرو: "إن حقيقة قدرتنا على صنع هذه المواد باستخدام عملية قابلة للتطوير ربما تكون أكثر إثارة للإعجاب".

"ما نحاول القيام به كمجموعة هو صنع أشياء ضخمة ذات هياكل نانوية دقيقة. ويضيف كورديرو: "السبب وراء رغبتنا في ذلك هو أن هذه المواد تتمتع بخصائص مثيرة للاهتمام للغاية ويمكن استخدامها في العديد من التطبيقات".

غير موجود في الطبيعة

قام كورديرو أيضًا بفحص قوة مساحيق السبائك المعدنية ذات الهياكل المجهرية النانوية في ورقة بحثية في مجلة Acta Materialia. استخدم كورديرو، مع كبير الباحثين شوه، كلاً من المحاكاة الحاسوبية والتجارب المعملية لإظهار أن سبائك المعادن مثل التنغستن والكروم ذات القوة الأولية المماثلة تميل إلى التجانس وإنتاج منتج نهائي أقوى، في حين أن مجموعات المعادن ذات القوة الأولية الكبيرة لا تتطابق مع هذه القوة. حيث يميل التنغستن والزركونيوم إلى إنتاج سبيكة أضعف مع وجود أكثر من مرحلة واحدة.

"إن عملية الطحن بالكرات عالية الطاقة هي أحد الأمثلة على مجموعة أكبر من العمليات التي تقوم فيها بتشويه المواد لدفع بنيتها الدقيقة إلى حالة غريبة من عدم التوازن. لا يوجد إطار عمل جيد للتنبؤ بالبنية المجهرية التي تخرج، لذلك في كثير من الأحيان تكون هذه تجربة وخطأ. "كنا نحاول إزالة التجريبية من تصميم السبائك التي ستشكل محلولًا صلبًا شبه مستقر، وهو أحد الأمثلة على مرحلة عدم التوازن"، يوضح كورديرو.

ويقول: "إنك تنتج هذه المراحل غير المتوازنة، وهي أشياء لا تراها عادة في العالم من حولك، في الطبيعة، باستخدام عمليات التشوه الشديدة هذه". تتضمن عملية الطحن الكروي عالي الطاقة قصًا متكررًا للمساحيق المعدنية، حيث يؤدي القص إلى اختلاط عناصر السبائك بينما تسمح عمليات الاسترداد المتنافسة والمنشَّطة حراريًا للسبيكة بالعودة إلى حالة توازنها، والتي في كثير من الحالات تكون منفصلة على مراحل . يشرح كورديرو: "لذلك هناك منافسة بين هاتين العمليتين". اقترحت ورقته البحثية نموذجًا بسيطًا للتنبؤ بالكيمياء في سبيكة معينة والتي ستشكل حلاً صلبًا وتم التحقق من صحته من خلال التجارب. يقول كورديرو: "إن المساحيق المطحونة هي من أصلب المعادن التي شاهدها الناس"، مشيرًا إلى أن الاختبارات أظهرت أن سبيكة التنغستن والكروم تتمتع بصلابة نانوية تبلغ 21 جيجا باسكال. وهذا يجعلها مضاعفة تقريبًا صلابة التآكل النانوي للسبائك القائمة على الحديد النانوي أو التنغستن ذو الحبيبات الخشنة.

المعادن تتطلب المرونة

في حبيبات سبائك التنغستن والكروم والحديد متناهية الصغر التي درسها، التقطت السبائك الحديد من تآكل وسائط طحن الفولاذ والقنينة أثناء طحن الكرات عالية الطاقة. "ولكن اتضح أن هذا يمكن أن يكون شيئًا جيدًا أيضًا، لأنه يبدو أنه يسرع التكثيف في درجات الحرارة المنخفضة، مما يقلل من مقدار الوقت الذي يتعين عليك قضاؤه في درجات الحرارة المرتفعة التي قد تؤدي إلى تغييرات سيئة في البنية المجهرية". يشرح كورديرو. "الشيء المهم هو أن تكون مرنًا وأن تتعرف على الفرص المتاحة في مجال علم المعادن."

تخرج كورديرو من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 2010 بدرجة البكالوريوس في الفيزياء وعمل لمدة عام في مختبر لورانس بيركلي الوطني. هناك، استلهم أفكاره من الطاقم الهندسي الذي تعلم من جيل سابق من علماء المعادن الذين صنعوا بوتقات خاصة لاحتواء البلوتونيوم لمشروع مانهاتن خلال الحرب العالمية الثانية. "إن سماع نوعية الأشياء التي كانوا يعملون عليها جعلني متحمسًا جدًا وحريصًا على معالجة المعادن. يقول كورديرو: "إنها أيضًا ممتعة جدًا". وفي التخصصات الفرعية الأخرى لعلم المواد، يقول: "لا يمكنك فتح فرن عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية، ورؤية شيء يتوهج باللون الأحمر الساخن. لا يمكنك معالجة الأشياء بالحرارة. ومن المتوقع أن ينهي درجة الدكتوراه في عام 2015.

على الرغم من أن عمله الحالي يركز على التطبيقات الهيكلية، إلا أن نوع معالجة المسحوق الذي يقوم به يستخدم أيضًا في صنع المواد المغناطيسية. ويقول: "يمكن تطبيق الكثير من المعلومات والمعرفة على أشياء أخرى". "على الرغم من أن هذه تعدين هيكلي تقليدي، إلا أنه يمكنك تطبيق تعدين المدرسة القديمة هذه على مواد المدرسة الجديدة."