חוקרים מאוניברסיטת סידני פיתחו שיטת מיקרוסקופיה חדשה המשתמשת בטומוגרפיה של בדיקת אטום כדי לצפות בשינויים בקנה מידה אטומי בחומרים. התקדמות זו משפרת את ההבנה של תכונות החומרים ועלולה להוביל לסגסוגות חזקות יותר עבור תעופה וחלל, מוליכים למחצה יעילים יותר ומגנטים טובים יותר למנועים.
חוקרים ב- אוניברסיטת סידני פיתחו שיטת מיקרוסקופיה חדשה באמצעות אָטוֹם טומוגרפיה בדיקה לבחינת שינויים ברמה האטומית בחומרים, המבטיחה התקדמות משמעותית במדעי החומרים והנדסת החומרים.
טכניקת מיקרוסקופיה חדשה מאפשרת לחוקרים לצפות בשינויים זעירים במבנה האטומי של חומרים גבישיים, כגון פלדות מתקדמות המשמשות בבניית ספינות וסיליקון מותאם אישית לאלקטרוניקה. לשיטה זו יש פוטנציאל לשפר את ההבנה שלנו לגבי המקורות הבסיסיים של תכונות והתנהגות החומר.
במאמר שפורסם ב חומרי טבעחוקרים מבית הספר להנדסת אווירונאוטיקה, מכונות ומכטרוניקה של אוניברסיטת סידני הציגו דרך חדשה לפענח את היחסים האטומיים בתוך חומרים.
פריצת הדרך עשויה לסייע בפיתוח סגסוגות חזקות וקלות יותר עבור תעשיית התעופה והחלל, מהדור החדש מוליכים למחצה לאלקטרוניקה, ומגנטים משופרים למנועים חשמליים. זה יכול גם לאפשר יצירת מוצרים ברי קיימא, יעילים וחסכוניים.
טכניקות מתקדמות בטומוגרפיה של בדיקת אטום
המחקר, בראשות פרו-סגן-קנצלר פרופסור סיימון רינגר של אוניברסיטת סידני, פרופסור סיימון רינגר, רתם את הכוח של טומוגרפיית בדיקה האטומית (APT) כדי לפתוח את המורכבויות של סדר-טווח קצר (SRO). תהליך SRO הוא המפתח להבנת הסביבות האטומיות המקומיות החיוניות לפיתוח חומרים חדשניים שיכולים לעמוד בבסיס דור חדש של סגסוגות ומוליכים למחצה.
SRO לפעמים משולה ל'גנום החומרים', הסידור או התצורה של אטומים בתוך גביש. זה משמעותי מכיוון שהסדרים אטומיים מקומיים שונים משפיעים על התכונות האלקטרוניות, המגנטיות, המכניות, האופטיות ואחרות של חומרים, שיש להם השפעה על הבטיחות והפונקציונליות של מגוון מוצרים.
סימולציה של תמונות אטומיות דו-ממדיות מבדיקת אטום. קרדיט: אוניברסיטת סידני
עד כה, SRO היה מאתגר עבור חוקרים למדוד ולכמת מכיוון שהסדרים אטומיים מתרחשים בקנה מידה כה קטן עד שקשה לראות אותם בטכניקות מיקרוסקופיה קונבנציונליות.
השיטה החדשה שמשתמשת ב-APT, שפותחה על ידי הצוות של פרופסור רינגר, מתגברת על אתגרים אלו, וסוללת את הדרך להתקדמות במדעי החומרים שעלולה להיות בעלת השלכות מרחיקות לכת על פני פלדות עבור גוף ספינה וסיליקון מותאם אישית עבור אלקטרוניקה במגוון תעשיות.
"המחקר שלנו מציג פריצת דרך משמעותית במדעי החומרים", אמר פרופסור רינגר, מהנדס חומרים בבית הספר להנדסת תעופה וחלל, מכונות ומכטרוניקה (AMME).
"מעבר למבנה הגבישי והסימטריה, רצינו לדעת יותר על יחסי השכונה בקנה מידה אטומי בתוך הגביש – האם הם אקראיים, או לא אקראיים? אם זה האחרון, אנחנו רוצים לכמת את זה. SRO נותן לנו את המידע הזה בפירוט, ופותח אפשרויות עצומות לחומרים שעוצבו בהתאמה אישית, אטום אחר אטום, עם סידורי שכונה ספציפיים להשגת תכונות רצויות כמו חוזק".
המחקר התמקד בסגסוגות אנטרופיה גבוהה, המבטיחות עבור יישומים הנדסיים מתקדמים שונים.
השלכות ומחקר עתידי
"סגסוגות אלו הן נושא למאמץ מחקר עולמי עצום בגלל העניין בשימוש בהן במצבים הדורשים חוזק בטמפרטורה גבוהה, כמו במנועי סילון ותחנות כוח, כמו גם למיגון קרינת נויטרונים בכורים גרעיניים, בהם הגנה מפני נזק קרינה הכרחי", אמר פרופסור רינגר.
הצוות השתמש בטכניקות מתקדמות של מדעי הנתונים תוך שימוש בנתונים מ-APT – טכניקת הדמיה מתוחכמת הממחישה אטומים בתלת מימד, ומאפשרת לצוות לצפות ולמדוד SRO, תוך השוואה כיצד הוא משתנה בסגסוגות בתנאי עיבוד שונים.
המחקר התמקד בתצפיות של אנטרופיה גבוהה של קובלט-כרום-ניקל סַגסוֹגֶתחושפת כמה שונה טיפולי חום יכולים לשנות את SRO.
"זה מספק תבנית למחקרים עתידיים שבהם SRO שולט בתכונות החומר הקריטיות. יש עוד הרבה מה לעשות בהיבטים שונים של הניתוח של SRO – זו בעיה קשה, אבל זה צעד חשוב קדימה", אמר פרופסור רינגר.
ד"ר Mengwei He, עמית מחקר פוסט-דוקטורט בבית הספר להנדסת אווירונאוטיקה, מכונות ומכטרוניקה אמר:
"היכולת למדוד ולהבין סדר בטווח הקצר שינתה את הגישה שלנו לעיצוב חומרים. זה נותן לנו מערכת עיניים חדשה לראות כיצד שינויים קטנים ברמה האטומית בארכיטקטורה יכולים להוביל לזינוקים ענקיים בביצועי החומרים".
באופן קריטי, המחקר משפר את היכולות של חוקרים לדמות חישובית, לדגמן ובסופו של דבר לחזות התנהגות חומרים מכיוון ש-SRO מספק שרטוט מפורט בקנה מידה אטומי.
עמית פוסט-דוקטורט בכיר, ד"ר אנדרו ברין, אמר: "הוכחנו שיש משטרים שבהם באמת ניתן למדוד את ה-SRO באמצעות טומוגרפיה של בדיקת אטום. לא רק שהיינו חלוצי גישה ניסיונית ומסגרת חישובית למדידת SRO, הפקנו ניתוח רגישות שתוחם את טווח הנסיבות המדויק שלפיהן מדידות כאלה תקפות, והיכן הן אינן תקפות".
ד"ר וויל דיווידס, שסיים את הדוקטורט שלו אצל פרופסור רינגר וכעת עובד בחברת ההנדסה Infravue אמר: "זו התקדמות מרגשת מכיוון שהראינו שמדידות SRO אפשריות בסגסוגות מרובות רכיבים, מה שללא ספק יועיל לחומרים קהילת המדע וההנדסה. כעת הקהילה תרצה ללמוד כיצד להרחיב עוד יותר את המשטר המדיד של SRO, כך שמרחב גדול בתחום המחקר הזה נפתח זה עתה."
המחקר נתמך על ידי תוכנית הגילוי של מועצת המחקר של אוסטרליה (ARC). הצוות גם מכיר בתמיכה מתוכנית יוזמת המחקר של האוניברסיטה הרב-תחומית אוסטרליה-ארה"ב (AUSMURI) הנתמכת על ידי ממשלת אוסטרליה. הצוות מכיר בתמיכה טכנית ומדעית לניסויים שנערכו במתקני המחקר הבאים: סידני מיקרוסקופיה ומיקרואנליזה (SMM), Sydney Analytical, Sydney Informatics Hub ו- Sydney Manufacturing Hub. SMM הוא צומת יסוד של Microscopy Australia, מתקן המיקרוסקופיה הלאומי הנתמך על ידי NCRIS. צוות מחקר זה חברים כולם בבית הספר להנדסת תעופה וחלל, מכונות ומכטרוניקה בפקולטה להנדסה, והם חברים במרכז האוסטרלי למיקרוסקופיה ומיקרואנליזה. בקשת פטנט של פרופסור רינגר קשורה בחלקה לעבודה זו.
