روش جدید همگن كردن مواد جامد ناهمگن

شفیق مهرآئین تا سال ۱۳۸۰ در دانشكده فنی دانشگاه تهران مشغول به تحصیل بود و با ابداع روش همگن كردن مواد جامد ناهمگن جایزه برترین مقاله را در ایالات متحده به دست آورده است و در همین راستا تاكنون هفت مقاله علمی در مجلات معتبر آمریكا به چاپ رساند و ۱۱ سخنرانی علمی در همین زمینه انجام داده است او عضو افتخاری انجمن خبرگان آمریكا است

•••

آنچه تاكنون از اوصاف ماده به دست ما رسیده حاكی از آن است كه ماده متشكل از اتم هایی است كه اوصافی جز اوصاف ریاضی ندارند و حركاتشان تابع قوانینی است كه صورت بندی كامل ریاضی می پذیرد. اگر مواد مختلف پراكنده در عالم را به جنگلی تشبیه كنیم پژوهشگر میزبانی است كه خوشه چینی می كند، این خوشه ها را در هم می آمیزد و سپس از دل آن در هم آمیخته شده ها، صورت بندی كامل ریاضی را بیرون می كشد تا به مهمانان خود كه صاحبان صنایع هستند تقدیم كند.

دانشمندان از دیرباز دریافته بودند كه ماده از ذره های بسیار كوچك به نام اتم تشكیل شده است. از پیوستن چند اتم به یكدیگر ذره های بزرگ تر به نام مولكول به وجود می آیند. این ذره ها با نظم خاصی در ماده در كنار یكدیگر قرار گرفته اند. به ماده ای خالص گفته می شود كه فقط از یك نوع واحد اتمی یا مولكولی تشكیل شده باشد كه به طور منظم در آن ماده تكرار و پیوستگی داشته باشد. آهن، آلومینیوم، مس، قلع و... اكسید فلزات تمام مواد بلوری از این نوعند. به ماده ای همگن گفته می شود كه «تركیب شیمیایی، خواص فیزیكی و مكانیكی آن در سراسر جسم مشابه باشد». چه در طبیعت، چه در صنعت تولید دسترسی به مواد همگن بسیار نادر است.

در مقابل مواد همگن، مواد ناهمگن هستند كه نقش كلیدی در زیربنای ساختار صنعت دارند. به ماده ای ناهمگن می گویند كه در آنها مشخصات جسم یا سیستمی از یك ماده یا یك حالت ماده (فاز ساده) در سراسر جسم یكسان نباشد.

برای مثال از تركیب دو ماده خالص آهن و كربن فولاد به دست می آید كه بسیار سخت تر از آهن است و كاربرد فراوانی در صنعت دارد. تعیین خصوصیات فیزیكی مواد مختلط (كامپوزیت) نیازمند بررسی دقیق ذرات تشكیل دهنده است. این ذرات تشكیل دهنده از نظم و قانون یكسانی پیروی می كنند. آزمایش و بررسی ذره به ذره این مواد مركب و ناهمگن برای تایید خصوصیات ذره و تبیین قانون رفتاری مشكل مهمی بوده كه دانشمندان در گذشته با آن دست به گریبان بوده اند و پیشرفت چندانی نداشته اند. محققان وقتی می توانند از مواد ناهمگن و كامپوزیت ها به نحو مطلوب استفاده كنند كه با شیوه های دقیق علمی خصوصیات فیزیكی و قوانین رفتاری مواد ناهمگن را استخراج كنند.

شایان ذكر است كه بررسی این خواص و معادلات رفتاری بین ذره ها در حیطه فیزیك نوین (فیزیك كوانتوم) است. در حال حاضر دانشمندان درصدد هستند كه با تركیب دو یا چند ماده خالص به ماده جدیدی دست پیدا كنند كه توانایی بالایی در صنعت داشته باشد. به عبارت دیگر پژوهشگران در تلاشند تا خصوصیات مورد نیاز برای مواد صنعتی را به صورت مصنوعی در مواد ایجاد كنند. به عنوان نمونه محققان موفق شده اند الیافی بسازند هزاران مرتبه باریك تر از مو و صدها برابر سخت تر از فولاد و باز از تركیب این الیاف با مواد خالص دیگر می توان مواد مركب ساخت كه بسیار با خواص مواد تشكیل دهنده اولیه آن متفاوت است.

اكنون سئوال این است كه آیا دانشمندان قادر هستند با بررسی ذره به ذره این مواد ناهمگن از یك سو و آزمایش های تجربی از سوی دیگر به نتایج واحدی در مورد قانون رفتاری این مواد ناهمگن برسند؟ آری می توانند اما این بررسی ذره به ذره سال ها به طول خواهد انجامید. تاكنون دانشمندان پیش بینی رفتار و تغییر شكل های این گونه مواد را تحت كاربرد نیروهای مختلف در تجربه به دست آورده اند. اما این آغاز راه بوده است. اینك با توسعه صنعت كامپیوتر و به بازار آمدن تراشه های ریز پردازنده (Micro Processor) با سرعت پردازش بالا، مهندسان و پژوهشگران موفق شده اند كه این آزمایشات تجربی را به صورت مجازی و شبیه سازی های كامپیوتری انجام دهند و با گسترش این روش شبیه سازی به موازات تولید كامپیوترهای با قدرت بیشتر راه را برای این نتیجه هموار كنند كه آزمایشات شبیه سازی با واقعیت منطبق شود. در این صورت نیازی به ساختن مواد ناهمگن و آزمایش آنها در آزمایشگاه ها برای استفاده در صنایع مختلف نیست. از طرفی این گونه آزمایش ها بسیار هزینه بر و زمان فراوان می خواهد كه موجب كندی سرعت چرخه صنعت می شود و در صورتی كه شبیه سازی كامپیوتری مقرون به صرفه بوده و تاكنون كم و بیش انجام شده است. اما بررسی خواص این ماده ناهمگن نیازمند مدل سازی كلیه ذرات میكروسكوپی تشكیل دهنده این مواد است كه این به نوبه خود نیاز به پردازش بسیار بالایی است تا بتواند ناخالصی های ذره ای موجود در این مواد ناهمگن را به صورت یك جا بررسی كند. به عبارت دقیق تر این ناخالصی ها و ناهمگن ها در ابعاد بسیار ریز وجود دارند.

به عنوان مثال برای شبیه سازی یك نانومتر۹-۱۰ از یك ماده ناهمگن حدوداً یك میلیارد اتم یا مولكول مورد نیاز است كه كامپیوتر باید رفتار همه اتم ها را بررسی كند. پردازش چنین اطلاعاتی هم اكنون در موسسه تحقیقاتی IBM در حال انجام است كه از ابركامپیوترهایی با ۱۰۰۰ پردازنده استفاده می شود. بدین ترتیب بررسی خواص مایكرون از یك ماده مختلط یا كامپوزیت با كامپیوتر روزها طول می كشد. مضاف بر این كه مكانیك رفتاری مواد در حد اتم و مولكول بسیار متفاوت است با مكانیك رفتاری در مقیاس های درشت تر و در حد سانتی متر و متر.

فیزیك كوانتوم كه حاكم بر مقیاس های كوچك و ذرات بسیار ریز است جهت رفع این مشكل و بررسی فیزیك ذرات ریز ابداع شده كه بسیار با مكانیك نیوتنی كه حاكم بر مقیاس های بزرگ ماده در حد متر و سانتی متر است متفاوت است. حال پژوهشگران ناگزیر از یك روش تحلیلی- كامپیوتری هستند كه بتوان به صورت موثرتر خواص درشت مقیاس (ماكروسكوپی) این مواد ناهمگن و مركب را با توجه به تركیب خواص مواد متشكله در آرایش اتم ها، شكل هندسی ذرات تشكیل دهنده، بلورهای تشكیل دهنده و... به گونه ای شبیه سازی كنند كه همه آن خواص میكروسكوپی با خواص بزرگ مقیاس (ماكروسكوپی) همخوانی داشته باشد.یكی از راه های وصول این پژوهش روش چند مقیاسه (Multi Scale) است. این روش درصدد آن است كه با شبیه سازی بزرگ مقیاس كامپیوتری (جمع اتم ها) به رغم خصوصیات متفاوت آن با خصوصیات تك اتم تنها، فرمول هایی بیافریند و به پارامترهایی دست پیدا كند كه این پارامترها وقتی در آن فرمول ها گذاشته می شود به نتایجی برسد كه گویا یك اتم در آزمایشگاه همین پاسخ را داده است. این روشی است كه برای پیش بینی خواص درشت مقیاس (ماكروسكوپی) مواد ناهمگن مركب، با استفاده از اطلاعات موجود از عناصر سازنده، ساختار اتمی و مدل های هندسی بلورهای متشكله (خواص میكروسكوپی) استفاده می شود.