المواد القصفة هي المواد التي ليس في وسعها أن تتشكل أو تُبدي أي رغبة في تغير أشكال هياكلها عند تعرضها لأي إجهادات خارجية. ويصور الشكل (6 – 2) رسما تخطيطيا مبينة فيه المراحل المختلفة التي تمر بها جسيمات المواد القصفة في أثناء سحقها بواسطة طاحونة كرات عالية القدرة. وتظهر في الشكل أجسام كبيرة كروية الشكل، تُعبر عن الكرات المستخدمة في طحن كتل جسيمات المادة المراد تنعيم حبيباتها. وترمز الأسهم الكبيرة الموجودة على سطح هذه الكرات إلى اتجاه قوى الصدم Impact Forces المؤثرة في الحبيبات، الناتجة من جراء وقوعها بين الكرات المتصادمة داخل اسطوانة وعاء الطحن متصادمتين في أثناء تشغيل الطاحونة (الشكل 6 – 2 «أ»). ويلاحظ في هذا الشكل المشار إليه، ضخامة مقاييس حبيبات جسيمات المادة قبل بداية تفتيتها وسحقها، حيث يصل متوسط أقطارها نحو 220 ألف نانومتر⁽¹³⁾.

الشكل (6 – 2): رسم تخطيطي يوضح المراحل التي تمر بها جسيمات كتل المواد القصفة خلال عملية الطحن الميكانيكي باستخدام طواحين الكرات عالية القدرة ويلاحظ من الشكل، أنه مع زيادة زمن الطحن، تتناقص مقاييس أقطار الجسيمات المتكونة تناقصا دراميا حيث تصاحب هذا التناقص زيادة في مساحات السطوح الخارجية لمساحيق الحبيبات الناتجة في كل مرحلة. ويشير هذا التناقص في مقاييس أبعاد الحبيبات إلى زيادة نسب وجود ذرات المادة على الأسطح الخارجية للناتج النهائي من حبيبات المادة النانوية ⁽⁸⁾.

وبمجرد تشغيل الطاحونة لفترة زمنية معينة، تخضع جسيمات المادة الواقعة بين الكرات المتصادمة داخل الطاحونة لإجهادات قوى القص Shear Forces التي تؤثر منذ البداية في مناطق الضعف الموجودة في البنية الحبيبة – الحدود البينية للحبيبات – داخل الهيكل البلوري، مما يؤثر وبشدة في ثبات واستقرار الحبيبات، فتبدأ في الاستجابة لهذه القوى المؤثرة وتتفكك عند هذه الحدود، مكونة بذلك حبيبات أكثر نعومة ذات أقطار تقل عن 12 ألف نانومتر، كما هو مبين في الشكل (6 – 2 «ب»). ومع زيادة زمن الطحن، تتعرض حبيبات المادة لمزيد من الضغوط والإجهادات الواقعة عليها، والتي تؤدي إلى استمرارية انفصال الحبيبات بعضها عن بعض وتكوين حبيبات أكثر نعومة، حيث يبلغ متوسط مقاييس أبعاد أقطارها نحو 30 نانومترا (الشكل 6 – 2 «ج»). ومع زيادة زمن الطحن يتوالى تأثير إجهادات قوى القص في المادة، مما يؤدي إلى مزيد من تنعيم حبيباتها والوصول بها إلى أحجام متناهية في الصغر، يبلغ متوسط أقطارها نحو 2 نانومتر، كما هو مبين في الشكل (6 – 2 «د»). ويعرض الشكل (6 – 3) صورة ميكروسكوبية حصل عليها باستخدام الميكروسكوب النافذ الإلكتروني عالي الدقة، لحبيبة نانوية الأبعاد (يبلغ مقياس قطرها نحو 5 نانومترات) من مادة كربيد التيتانيوم TiC، وذلك بعد خضوعها للطحن لمدة 200 ساعة متواصلة ⁽¹⁴⁾.

الشكل (6 – 3) صور مجهرية أخذت بواسطة الميكروسكوب النافذ الإلكتروني عالي الدقة لحبيبة واحدة من حبيبات مادة كربيد التيتانيوم TiC حضرت معمليا بواسطة مؤلف هذا الكتاب، وذلك عن طريق الحث الميكانيكي لتفاعل الحالة الصلبة Mechanically–Induced Solid–State Reaction بين مساحيق حبيبات الكريون والتيتانيوم، باستخدام طاحونة الكرات عالية القدرة. ومن الشكل نستطيع القول إن طريقة التحضير هذه توفر إنتاج حبيبات نانوية فائقة النعومة، تصل أقطارها إلى نحو 5 نانومترات ⁽¹⁴⁾.

_____________________________________
هوامش

(8) تم تصميم وتنفيذ الشكل بواسطة مؤلف هذا الكتاب.

(13) المتر الواحد يساوي مليار نانومتر، ومن ثم فإن 220 ألف نانومتر (220) مايكرومتر) تعني 0.00022 من المتر، أي 0.22 من المليمتر الواحد.

(14) M. Sherif El–Eskandarany, J. of Alloys Comp., Vol. 305 (2000) Pp. 219–224.