يُعتبر الألماس من أصلب المواد الطبيعية المعروفة، ولكن أظهرت تجارب جديدة إمكانية تغيير بنيته الصلبة بشكل مفاجئ عند تعرضه لصدمة ميكانيكية كبيرة. وقد تمكن فريق بحثي من إظهار تحول شبه كامل لحبيبات الألماس إلى جرافيت خلال ميكروثوانٍ قليلة عند تعريض المادة المركبة التي تحتوي عليه لاصطدامات بسرعات تفوق سرعة الصوت.
قادت البحث مجموعة من العلماء، من بينهم أبهيجيت بيسواس وبوليكيل إم. أجايا من جامعة رايس، بمشاركة باحثين من جامعة تكساس إيه آند إم وجامعة تورنتو ومعهد كارلسروه للتكنولوجيا. وقد نُشرت نتائج الدراسة في مجلة Materials Today، حيث تناولت كيفية استجابة الألماس للصدمات الميكانيكية الشديدة.
كيفية صمود الألماس أمام التجربة
تصدّى الباحثون في البداية لمشكلة دمج حبيبات الألماس داخل مادة صلبة دون تغير بنيتها أثناء التصنيع. إذ يمكن أن يتحول الألماس إلى جرافيت عند تعرضه لدرجات حرارة عالية، مما يجعل عمليات التلبيد التقليدية غير مناسبة.
لتجاوز هذه المشكلة، قام الفريق بتطوير مادة مركبة تتكون من حبيبات ألماس دقيقة ونيتريد البورون المكعب وكوبالت. حيث استخدمت تقنية التلبيد بالبلازما الشرارية لدمج هذه المكونات عند درجات حرارة تبلغ 1400 درجة مئوية وضغط يقدر بـ 90 ميغاباسكال، مما ساعد على المحافظة على طور الألماس.
اصطدام أسرع من الصوت
بعد تجهيز المادة، خضعت لاختبارات صارمة باستخدام مقذوفات معدنية صغيرة انطلقت بسرعات تتجاوز سرعة الصوت. فعند اصطدام مقذوف بقطر ملليمتر واحد بسرعة 7.5 ماخ، لم يحدث انهيار كامل للمادة، بينما كان الوضع مغايرًا مع المقذوف الأكبر بقطر 4 ملليمترات وسرعة 8.45 ماخ، إذ تعرضت المادة المركبة للكسر.
لكن المفاجأة تركزت في ما حدث داخل المادة بضع لحظات بعد الاصطدام، حيث كشفت الأبحاث أن حبيبات الألماس في الأجزاء المكسورة تحولت بشكل شبه كامل إلى جرافيت خلال ميكروثوانٍ فقط. هذه النتائج أثارت تساؤلات جديدة حول طبيعة هذه التحولات.
سبب تحول الألماس إلى جرافيت
على الرغم من أن الألماس والجرافيت يتكونان من العنصر ذاته، الكربون، إلا أن ترتيب الذرات والروابط بينهما مختلفان تمامًا. في الألماس، ترتبط ذرات الكربون في هيكل ثلاثي الأبعاد قوي، بينما تتواجد الذرات في الجرافيت في طبقات بروابط مختلفة تجعل منه مادة أكثر ليونة.
نتيجة للاصطدامات السريعة، أنتجت الصدمة طاقة وضغطًا كبيرين، مما أدى إلى إعادة ترتيب الروابط الذرية وتحويل بنية الألماس إلى بنية الجرافيت. استخدم الفريق محاكاة الديناميكيات الجزيئية لفهم هذه العملية بصورة أفضل.
أحد الجوانب المثيرة في هذا الاكتشاف هو أن تحول الألماس إلى جرافيت قد لا يعني فشل المادة، بل على العكس فقد وجد الباحثون أن هذا التغيير يساعد في امتصاص جزء من طاقة الصدمة وتخفيف أثرها. وبالتالي، يمكن أن تُعتبر هذه العملية كآلية لامتصاص صدمات الاصطدام.
كما لوحظ أن هناك مناطق فاصلة بين الألماس والجرافيت الجديد، مما يشير إلى أهمية هذه الواجهات في عملية التحول البنيوي. يفتح هذا الاكتشاف آفاقاً جديدة في تصميم مواد متقدمة تتحمل البيئات القاسية.
بدلاً من اعتبار تحول الألماس إلى جرافيت مجرد تدهور للخصائص، يُمكن الاستفادة من الطاقة المستهلكة في هذا التحول لتطوير مواد قادرة على امتصاص الصدمات الشديدة، مما يعد خطوة مهمة في تصميم مواد واقية لتطبيقات تتعرض لقوى ميكانيكية هائلة.
تجمع هذه الدراسة بين التجارب العملية والمحاكاة الذرية، مما يمكن الباحثين من ربط التغيرات على المستوى المرئي بالتفاعلات الداخلية لذرات الكربون، مما يساهم في فهم أعمق لهذه الديناميكيات المركبة.
