مدلي براي سختي مواد

مدلي براي سختي مواد

پيش بيني سختي ِ اجسام از روي ساختار اتمي مولكولي آنها كار خيلي سختيست. به نظر می آيد يكي از خاصيتهاي پيوندهاي اتمي بنام يونيدگي (ionicity)، با سختي ِ مواد در ارتباط باشد. 4ام ژوئن يك تيم تحقيقاتي توانستند فرمول دقيقي براي پيش بيني ”سختي“ از روي خاصيت اتمي مواد پيدا كنند. اين فرمول با موفقيت ”سختي“ را براي خيلي از مواد و حتا براي مواد ”فوق سخت“ كه با درهمريزيهاي (synthesize) جديد بدست آمده اند پيش بيني كرده است. پس فرمول فوق مي تواند مدل ميكروسكوپي ”سختي“ را نشان بدهد و همچنين مواد سخت جديدي فراهم كند. ”سختي“ يعني توانايي مقاومت كردن ِ مواد در برابر خراشيده شدن يا تو رفتگي بوسيله ي چيزي ديگر. اين يكي از مسائل حل نشده ي فيزيك است و فيزيكدانان نمي دانند چگونه مي توانند اتمها را بچينند تا ماده اي سخت بدست آورند. تلاشهايي شده اما اين مسأله كماكان باز باقيست. يونيدگي چيزيست كه به مقاومت ِ پيوندهاي اتمي براي تشكيل مولكول ربط دارد. در يك ماده ي اصطلاحا هم ظرفيت (كووالانسي - Covalent) مثل الماس، ژرمانيوم يا سيليكـُن، هز كدام از جفتهاي اتمي يك جفت الكترون به اشتراك مي گذارند تا پيوند اتمي تشكيل دهند. در مواد هم ظرفيت ِ قطبي (كووالانس قطبي - polar covalent) بي تقارني هايي مشاهده مي شود و اتمهايي ممكن است نفوذ و سهم بيشتري از الكترونهاي پيوندي داشته باشند. در حالت نهايي، يعني در ماده ي يونيده يك اتم يك الكترون از اتم مجاور خود مي دزدد و ايندو اتم به هم پيوند مي خورند. اين جاذبه ي الكتروستاتيكي كه ”پيوند يوني“ ناميده مي شود بيشترين درجه ي بخشش را نمايش مي دهد و به همين دليل بسيار شل و ول هستند. در پيوند هم ظرفيت (كووالانس) كمترين بخشش مشاهده مي شود و هر دو سهم يكساني از بخشش را دارند و به همين دليل اين پيوند سفت است. http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00113.jpg
يونگجون تيان (Yongjun Tian) و فامينگ جائو (Faming Gao) از دانشگاه كين هانگدائو (Qimhuangdao) در چين و همكارانشان روي مواد هم ظرفيت (كوالانسي) و مواد هم ظرفيت قطبي تمركز كرده و سعي كردند كه مقاومتشان را به پيوندهاي شيميايي آنها ربط دهند. طبق اين فرض كه: هر چه پيوند در يك منطقه بيشتر رخ داده باشد سختي بيشتر است و ديگر اينكه هرچه پيوند كوتاهتر باشد و تعدادشان چگالتر باشد سختي قوي تر است. پس مواد سخت باشد يونيدگي ِ كمي داشته باشند زيرا پيوند هم ظرفيت (كووالانسي) از پيوند يوني محكمتر است. با تركيب اين فرضها و نظريه ي قديمي (30 ساله ي) مواد، اين گروه توانست فرمول سختي را بر اساس يونيدگي، طول پيوند . تعداد الكترونهاي شركت كننده در پيوند در آورد. با قرار دادن شرايط 11 ماده ي شناخته شده مثل الماس، Si3N4 و ZrO2 آنها بهترين مقدارهاي دو تا از پارامترهاي فرمول را پيدا كردند.

فرمول نهايي با 10% خطا مي تواند مقدار سختي را براي 14 نوع اكسيد سخت و نيمه رسانا و مواد خالص و قطبي همظرفيت (كووالانس) پيدا كنند. همچنين اين گروه توانستند ساختار اتمي ماده ي فوق ِ سخت ِ BC2N را درياند و سختي اش را حدس بزنند كه البته همه ي نتيج با همان خطا كه ذكر شد درستند. جوليان هاينس از دانشگاه علم و صنعت مونت پلير (the Montpellier University of Science and Technology) در فرانسه (Julien Haines) ”بنظر مي رسد يك روش مفيد و قدرتمند براي پيش بيني سختي مواد پيدا كرده باشيم“