مدلی برای سختی مواد

پیش بینی سختی ِ اجسام از روی ساختار اتمی مولكولی آنها كار خیلی سختیست. به نظر می آید یكی از خاصیتهای پیوندهای اتمی بنام یونیدگی (ionicity)، با سختی ِ مواد در ارتباط باشد. ۴ام ژوئن یك تیم تحقیقاتی توانستند فرمول دقیقی برای پیش بینی ”سختی“ از روی خاصیت اتمی مواد پیدا كنند. این فرمول با موفقیت ”سختی“ را برای خیلی از مواد و حتا برای مواد ”فوق سخت“ كه با درهمریزیهای (synthesize) جدید بدست آمده اند پیش بینی كرده است. پس فرمول فوق می تواند مدل میكروسكوپی ”سختی“ را نشان بدهد و همچنین مواد سخت جدیدی فراهم كند. ”سختی“ یعنی توانایی مقاومت كردن ِ مواد در برابر خراشیده شدن یا تو رفتگی بوسیله ی چیزی دیگر. این یكی از مسائل حل نشده ی فیزیك است و فیزیكدانان نمی دانند چگونه می توانند اتمها را بچینند تا ماده ای سخت بدست آورند. تلاشهایی شده اما این مسأله كماكان باز باقیست. یونیدگی چیزیست كه به مقاومت ِ پیوندهای اتمی برای تشكیل مولكول ربط دارد. در یك ماده ی اصطلاحا هم ظرفیت (كووالانسی - Covalent) مثل الماس، ژرمانیوم یا سیلیكـُن، هز كدام از جفتهای اتمی یك جفت الكترون به اشتراك می گذارند تا پیوند اتمی تشكیل دهند. در مواد هم ظرفیت ِ قطبی (كووالانس قطبی - polar covalent) بی تقارنی هایی مشاهده می شود و اتمهایی ممكن است نفوذ و سهم بیشتری از الكترونهای پیوندی داشته باشند. در حالت نهایی، یعنی در ماده ی یونیده یك اتم یك الكترون از اتم مجاور خود می دزدد و ایندو اتم به هم پیوند می خورند. این جاذبه ی الكتروستاتیكی كه ”پیوند یونی“ نامیده می شود بیشترین درجه ی بخشش را نمایش می دهد و به همین دلیل بسیار شل و ول هستند. در پیوند هم ظرفیت (كووالانس) كمترین بخشش مشاهده می شود و هر دو سهم یكسانی از بخشش را دارند و به همین دلیل این پیوند سفت است.
یونگجون تیان (Yongjun Tian) و فامینگ جائو (Faming Gao) از دانشگاه كین هانگدائو (Qimhuangdao) در چین و همكارانشان روی مواد هم ظرفیت (كوالانسی) و مواد هم ظرفیت قطبی تمركز كرده و سعی كردند كه مقاومتشان را به پیوندهای شیمیایی آنها ربط دهند. طبق این فرض كه: هر چه پیوند در یك منطقه بیشتر رخ داده باشد سختی بیشتر است و دیگر اینكه هرچه پیوند كوتاهتر باشد و تعدادشان چگالتر باشد سختی قوی تر است. پس مواد سخت باشد یونیدگی ِ كمی داشته باشند زیرا پیوند هم ظرفیت (كووالانسی) از پیوند یونی محكمتر است. با تركیب این فرضها و نظریه ی قدیمی (۳۰ ساله ی) مواد، این گروه توانست فرمول سختی را بر اساس یونیدگی، طول پیوند . تعداد الكترونهای شركت كننده در پیوند در آورد. با قرار دادن شرایط ۱۱ ماده ی شناخته شده مثل الماس، Si۳N۴ و ZrO۲ آنها بهترین مقدارهای دو تا از پارامترهای فرمول را پیدا كردند.
فرمول نهایی با ۱۰% خطا می تواند مقدار سختی را برای ۱۴ نوع اكسید سخت و نیمه رسانا و مواد خالص و قطبی همظرفیت (كووالانس) پیدا كنند. همچنین این گروه توانستند ساختار اتمی ماده ی فوق ِ سخت ِ BC۲N را دریاند و سختی اش را حدس بزنند كه البته همه ی نتیج با همان خطا كه ذكر شد درستند. جولیان هاینس از دانشگاه علم و صنعت مونت پلیر (the Montpellier University of Science and Technology) در فرانسه (Julien Haines) ”بنظر می رسد یك روش مفید و قدرتمند برای پیش بینی سختی مواد پیدا كرده باشیم“

منبع : شبکه فیزیک هوپا