فلز غير بلوري

عينات من الفلز الغير بلوري، بمقياس مليمتر.

الفلز الغير بلوري amorphous metal (يعهد أيضاً بالزجاج الفلزي metallic glass أوالفلز الزجاجي glassy metal)، هي مادة فلزية صلبة، عادة ما تكون تعبير عن سبيكة، ذات بنية ذرية غير منتظمة. معظم الفلزات تتخذ شكل الشبكة البلورية في حالتها الصلبة، مما يعني حتى الذرات ذات ترتيب منتظم. الفلزات الغير بلورية هي مادة غير بلورية، ولديها بنية شبيهة بالزجاج. لكن على عكس الزجاج الشائع، مثل زجاج النوافذ، والذي عادة ماقد يكون عازل للكهرباء، فإن الفلزات الغير بلورية تعتبر موصلة جيدة للكهرباء. هناك عدة طرق يمكن من خلالها إنتاج الفلزات البلورية، ومنها التبريد فائق السرعة، الترسيب الفيزيائي للبخار، تفاعل الحالة الصلبة، غرس الأيونات، والتسبيك الميكانيكي.

في الماضي، أُنتجت كميات صغيرة من الفلزات الغير بلورية بواسطة طرق التبريد السريع المتنوعة. على سبيل المثال، أُنتجت أشرطة الفلزات الغير بلورية عن طريق رش المعدن المنصهر على قرص فلزي دوار (melt spinning). التبريد السريع، بملايين الدرجات في الثانية، سريع أيضاً لتشكيل البلورات وتكون المواد "مغلقة" في الحالة الزجاجية. في الآونة الأخيرة تم إنتاج عدد من السبائك ذات معدلات التبريد المنخفضة للغاية بما يكفي للسماح بتكوين بنية غير بلورية في طبقات سميكة (أكثر من 1 مليمتر)؛ وتعهد باسم الزجاج الفلزي الضخم (BMG). تم مؤخراً إنتاج كميات من الفلز الغير بلوري أقوى ثلاثة أضعاف من سبائك الصلب التقليدية.

التاريخ

كان أول زجاج فلزي تعبير عن سبيكة (Au₇₅Si₂₅) أنتجت في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا من قبل و. حدثنت، ولينز ودويز عام 1960. هذه السبيكة والسبائك الزجاجية المبكرة الأخرى تم تبريدها بسرعة عالية بمعدل 1 ميگا كلڤن في الثانية، 10⁸ ك/س) لمنع التبلور. ومن النتائج المهمة لذلك حتى النظارات المعدنية يمكن إنتاجها فقط في عدد محدود من الأشكال (عادةً الشرائط أوالرقائق أوالأسلاك) حيث كان البعد الواحد صغير بحيث يمكن استخراج الحرارة بسرعة كافية لتحقيق معدل التبريد الضروري. نتيجة لذلك، فإن عينات الزجاج الفلزي (مع بعض الاستثناءات) كانت مقصورة على سمك أقل من مائة ميكرومتر.

في 2018، قام فريق من معمل التسارع الوطني، المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وجامعة نورثوسترن باستخدام الذكاء الاصطناعي للتنبؤ وتقييم عينات من 20.000 سبيكة زجاج فلزية مختلفة في غضون عام. كانت أسالبيهم واعدة بتسريع البحث والوقت لترويج السبائك غير المعدنية الجديدة.

الخصائص

عادة ما تكون الفلزات الغير بلورية سبائك وليست فلزات نقية. تحتوي السبائك على ذرات بأحجام شديدة التفاوت، مما يؤدي إلى انخفاض في الحجم الحر في الحالة المنصهرة. تمنع اللزوجة الذرات من التحرك بما يكفي لتشكيل شبكة مرتبة. كما تؤدي البنية الفلزية أيضًا إلى انخفاض الانكماش أثناء التبريد، ومقاومة التشكل اللدن. غياب الحدود الحبيبية، البقع الضعيفة للمواد البلورية، يؤدي إلى خلق مقاومة أفضل للاهتراءوالتآكل. الفلزات الغير بلورية، في حين أنها تعتبر زجاج من الناحية التقنية، إلا أنها أكثر متانة وأقل هشاشة من الزجاج المؤكسد والسيراميك.

التوصيلية الحرارية للفلزات الغير بلورية منخفضة عن الفلزات البلورية. يعتمد تشكيل البنية الغير بلورية على التبريد السريع، ويحد هذا بأقصى قدر ممكن من سمك الهياكل غير البلورية.

التطبيقات

من أبرز التطبيقات الحالية للفلزات الغير بلورية هواستغلال الخصائص المغناطيسية الخاصة لبعض الزجاج الفلزي عالي النفاذية. يتم استخدام فقدان المغنطة المنخفضة في المحولات ذات الكفاءة العالية (المحول المعدني الغير بلوري) في التردد الخطي وبعض محولات التردد العالي. الفولاذ غير البلوري هومادة هشة للغاية مما يجعل من الصعب تلقيمه في رقائق السيارات. كذلك التجسس الاصطناعي الإلكتروني (مثل سيطرة اللصوص على بطاقات الهوية) عادة ما يستخدم الزجاج الفلزي بسبب خصائصه المغناطيسية.

انظر أيضاً

الزجاج الفلزي الحيوي
أختام الزجاج-السيراميك-المعدن
معدن سائل
فهم المواد
بنية السوائل والزجاج
الرقائق المختلطة الغير بلورية

المصادر

^ Some scientists only consider amorphous metals produced by rapid cooling from a liquid state to be glasses. However, materials scientists commonly consider a glass to be any solid non-crystalline material, regardless of how it is produced.
^ Ojovan, M. I.; Lee, W. B. E. (2010). "Connectivity and glass transition in disordered oxide systems". Journal of Non-Crystalline Solids. 356 (44–49): 2534. Bibcode:2010JNCS..356.2534O. doi:10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.012.
^ Klement, W.; Willens, R. H.; Duwez, POL (1960). "Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys". Nature. 187 (4740): 869–870. Bibcode:1960Natur.187..869K. doi:10.1038/187869b0.
^ "Artificial intelligence accelerates discovery of metallic glass". Physorg. April 13, 2018. Retrieved 2018-04-14.
^ Ren, Fang; Ward, Logan; Williams, Travis; Laws, Kevin J.; Wolverton, Christopher; Hattrick-Simpers, Jason; Mehta, Apurva (2018-04-01). "Accelerated discovery of metallic glasses through iteration of machine learning and high-throughput experiments". Science Advances (in الإنجليزية). 4 (4): eaaq1566. doi:10.1126/sciadv.aaq1566. ISSN 2375-2548. PMID 29662953.
^ Gloriant, Thierry (2003). "Microhardness and abrasive wear resistance of metallic glasses and nanostructured composite materials". Journal of Non-Crystalline Solids (in الإنجليزية). 316 (1): 96–103. Bibcode:2003JNCS..316...96G. doi:10.1016/s0022-3093(02)01941-5.
^ Ning, S. R.; Gao, J.; Wang, Y. G. (2010). "Review on Applications of Low Loss Amorphous Metals in Motors". Advanced Materials Research. 129-131: 1366. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.129-131.1366.

وصلات خارجية

Liquidmetal Design Guide
"Metallic glass: a drop of the hard stuff" at New Scientist
Physical Review Focus, June 9, 2005
"Overview of metallic glasses"
(2004) (the alloy database developed by Marek Mihalkovic, Michael Widom, and others)
Materials Today: The case for bulk metallic glass
New tungsten-tantalum-copper amorphous alloy developed at the Korea Advanced Institute of Science and Technology [1]
Amorphous Metals in Electric-Power Distribution Applications
Amorphous and Nanocrystalline Soft Magnets
glass transition temperatures of bulk metallic glasses
"New metallic glass material created by starving it of nuclei". newatlas.com (in الإنجليزية). Retrieved 2017-12-09.