آفاق تطبيقات السبائك الذاكرة عالية التقنية

　　كان القرن العشرون عصر الميكاترونيكس. الاستشعار - الدوائر المتكاملة - التشغيل هي أكثر أنظمة التحكم الميكانيكية الإلكترونية نموذجية، لكنها معقدة وضخمة. تتمتع المواد ذات الذاكرة الشكلية بوظيفتين مزدوجتين هما الاستشعار والتشغيل، مما يمكن من تحقيق تصغير وتحسين أنظمة التحكم، مثل الروبوتات الهولوغرافية واليد الميكانيكية فائقة الصغر بمقياس المليمتر. سيصبح القرن الحادي والعشرون عصر إلكترونيات المواد. حركات روبوتات السبائك ذات الذاكرة الشكلية لا تتأثر بأي ظروف بيئية سوى درجة الحرارة، ومن المتوقع أن تبرز في مجالات التكنولوجيا العالية مثل المفاعلات، المسرعات، ومختبرات الفضاء.

　　عند الحديث عن السبائك، لا بد من ذكر أكثر السبائك إثارة للاهتمام - سبائك الذاكرة. اكتشاف أن المعادن تمتلك ذاكرة كان صدفة: في أوائل الستينيات، استلم فريق بحث من البحرية الأمريكية بعض أسلاك سبائك النيكل والتيتانيوم من المخزن لإجراء تجارب، ووجدوا أن هذه الأسلاك كانت ملتوية وغير مريحة للاستخدام، فقاموا بفردها واحدة تلو الأخرى. خلال التجارب، حدثت ظاهرة غريبة، حيث وجدوا أنه عند ارتفاع درجة الحرارة إلى قيمة معينة، تعود هذه الأسلاك المفردة إلى حالتها الملتوية الأصلية. وبفضل ملاحظتهم الدقيقة، أجروا التجربة عدة مرات وأكدوا أن هذه الأسلاك تمتلك "ذاكرة".

　　أثار هذا الاكتشاف من معهد بحوث البحرية الأمريكية اهتمامًا كبيرًا في الأوساط العلمية، حيث أجرى العديد من العلماء أبحاثًا معمقة. وُجد أن سبائك النحاس والزنك، والنحاس والألمنيوم والنيكل، والنحاس والموليبدينوم والنيكل، والنحاس والذهب والزنك، وغيرها تمتلك هذه القدرة الغريبة أيضًا. يمكن للناس تغيير شكل هذه السبائك ضمن نطاق معين حسب الحاجة، وعند درجة حرارة محددة، تعود تلقائيًا إلى شكلها الأصلي، ويمكن تكرار هذه العملية عدة مرات. مهما تغير شكلها، فإنها تتذكر شكلها الأصلي بدقة عند هذه الدرجة الحرارية. تُسمى هذه الظاهرة تأثير الذاكرة الشكلية، وتُعرف المعادن التي تمتلك هذا التأثير بسبائك الذاكرة الشكلية، أو ببساطة سبائك الذاكرة.

　　لماذا تمتلك هذه السبائك تأثير الذاكرة الشكلية؟ كيف تتذكر شكلها الأصلي؟ من الصعب تفسير هذا التأثير باستخدام نظريات الروابط المعدنية العامة أو نظرية الإلكترونات الحرة. سبائك الذاكرة تعود إلى شكلها الأصلي عند درجة حرارة معينة، مما يوفر مثالًا ممتازًا لحركة الإلكترونات الخارجية للنواة التي تتغير مع درجة الحرارة. يرجع تكوين السبائك إلى اندماج المعادن السائلة عند درجات حرارة عالية، وبسبب التنافر بين وحدات البنية في المعادن السائلة، تتوزع هذه الوحدات بالتساوي مع وحدات بنية معدن آخر، وعند التصلب، يكون هيكلها الدقيق ترتيبًا منسقًا لوحدات بنية مختلفة بنسب معينة، والقوة الكهرومغناطيسية هي القوة الرئيسية التي تجمع جسيمات السبائك.

　　القوة الكهرومغناطيسية تتكون من حركة الإلكترونات التكافؤية، وسرعة حركة الإلكترونات تتغير مع درجة الحرارة، لذلك تتغير القوة الكهرومغناطيسية داخل الجسم (حجمها، اتجاهها، ونقطة تأثيرها) مع درجة الحرارة. هذا يؤدي إلى تغير القوى الداخلية في المعدن مع درجة الحرارة، لكن هذه التغيرات غير واضحة في نطاق درجات حرارة صغيرة، وتظهر فقط عند تغيرات كبيرة في درجة الحرارة (مئات الدرجات المئوية). المعادن العادية عند تعرضها لقوة يمكن أن تتشوه بلاستيكيًا، مثل سلك حديدي يُثنى، حيث تتأثر القوة الكهرومغناطيسية في منطقة الثني بالقوة الخارجية، مما يؤدي إلى تعديل طفيف في مستوى حركة الإلكترونات التكافؤية، ويتم إتمام التشوه البلاستيكي مرة واحدة.

　　سبائك الذاكرة تتكون من وحدات بنية مختلفة مختلطة ومتوزعة بالتساوي، وعلى الرغم من اختلاف حجم الوحدات وقوة القوة الكهرومغناطيسية، إلا أن كل منها يسرع حركة إلكتروناته التكافؤية، وعند درجة حرارة معينة تتعايش الوحدات المجاورة بسلام. عند تعرضها لقوة خارجية، تتأثر القوة الكهرومغناطيسية، ويحدث تعديل طفيف في زاوية حركة الإلكترونات التكافؤية، مما يؤدي إلى تشوه بلاستيكي في الجسم، وفي هذا التشوه، تكون بعض حركات الإلكترونات التكافؤية المعدلة غير مريحة. عندما تتغير درجة الحرارة، تتغير سرعة حركة الإلكترونات التكافؤية، وعندما تعود درجة الحرارة إلى حالة التعايش المريح (درجة حرارة التحول)، تعود حركة الإلكترونات التكافؤية غير المريحة إلى سرعتها الأصلية، وتتغير القوة الكهرومغناطيسية، مما يؤدي إلى تعديل حركة الإلكترونات التكافؤية في الوحدات المجاورة، فتعود جميعها إلى الحالة المريحة الأصلية، وبالتالي يعود الجسم بأكمله إلى حالته الأصلية. هذه هي عملية ذاكرة سبائك الذاكرة.

　　في الواقع، تم اكتشاف ذاكرة المعادن منذ زمن بعيد: إذا تم ثني سلك حديدي مستقيم بزاوية قائمة (90 درجة)، عند تحريره، يعود قليلاً مكونًا زاوية أكبر من 90 درجة. وإذا تم فرد سلك حديدي مثني، يجب ثنيه إلى أكثر من 180 درجة قبل تحريره، عندها يعود إلى حالة مستقيمة تمامًا، وهذا ما يُقال في الأمثال الصينية "الإفراط في التصحيح". وهناك سبائك ذات ذاكرة أفضل وهي النوابض (المقصود هنا النوابض الفولاذية، حيث الفولاذ هو سبيكة الحديد والكربون)، فالنوابض تحتفظ بشكلها بإحكام، وعند إزالة القوة الخارجية، تعود فورًا إلى شكلها الأصلي، لكن نطاق درجة حرارة ذاكرة النوابض واسع، وليس لها درجة حرارة تحول محددة مثل سبائك الذاكرة، مما يمنحها بعض الوظائف الخاصة.

　　باستخدام وظيفة التشوه عند درجة حرارة معينة لسبائك الذاكرة، يمكن تصنيع أنواع متعددة من أجهزة التحكم في درجة الحرارة، مثل دوائر التحكم في درجة الحرارة، صمامات التحكم في درجة الحرارة، وصلات الأنابيب ذات التحكم الحراري. لقد استخدم الناس سبائك الذاكرة لصنع صنبور إطفاء حريق أوتوماتيكي - عند ارتفاع درجة حرارة الحريق، يتشوه سبيكة الذاكرة، مما يفتح الصمام ويرش الماء لإطفاء الحريق. كما تم تصنيع وصلات للأجزاء الميكانيكية والأنابيب، حيث يستخدم في وصلات التزود بالوقود الجوي للطائرات سبائك الذاكرة - بعد توصيل أنابيب الزيت، يتم تسخينها كهربائيًا لتغيير درجة الحرارة، فتتشوه سبائك الذاكرة في الوصلة، مما يجعل الوصلة محكمة ولا تتسرب قطرات (زيت). كما تم تصنيع هوائيات ذاتية الفتح لمساحة مئات الأمتار المربعة لمحطة الفضاء - حيث تُصنع الهوائيات على شكل قطع مكافئة أو مسطحة كبيرة على الأرض، تُطوى في حزمة، وتُحمل إلى الفضاء بواسطة المركبة الفضائية، وعند تغير درجة الحرارة، تفتح لتعود إلى شكلها ومساحتها الأصلية.

　　تطورت سبائك الذاكرة حاليًا إلى عدة عشرات من الأنواع، ولها استخدامات في مجالات الطيران، العسكرية، الصناعية، الزراعية، والطبية، وتتجه نحو تطور واعد، وستحقق إنجازات عظيمة وتفيد البشرية. حتى الآن، تم اكتشاف ودراسة أكثر من عشرة أنظمة من سبائك الذاكرة الشكلية، بما في ذلك Au-Cd، Ag-Cd، Cu-Zn، Cu-Zn-Al، Cu-Zn-Sn، Cu-Zn-Si، Cu-Sn، Cu-Zn-Ga، In-Ti، Au-Cu-Zn، NiAl، Fe-Pt، Ti-Ni، Ti-Ni-Pd، Ti-Nb، U-Nb و Fe-Mn-Si وغيرها.