نانومواد گرادیانی

نانومواد گرادیانی (به انگلیسی: Gradient Nanomaterials) دسته‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ها یک یا چند ویژگی بنیادی—شامل اندازهٔ دانه، ترکیب شیمیایی، چگالی نابجایی‌ها، فازهای بلوری یا تنش‌های پسماند—به‌طور پیوسته و کنترل‌شده از سطح ماده به عمق یا از یک جهت به جهتی دیگر تغییر می‌کنند. بر خلاف مواد همگن، که ویژگی آن‌ها در تمام مقطع تقریباً ثابت است، نانومواد گرادیانی ترکیبی از استحکام بسیار بالا، چقرمگی زیاد، مقاومت به سایش، پایداری حرارتی، و خواص الکتریکی قابل کنترل را ارائه می‌دهند.Lu, K. “Gradient nanostructured metals: improving both strength and ductility.” Nature Reviews Materials, 2016.Li, X.; Lu, L. (2020). "Mechanical properties and deformation mechanisms of gradient nanostructured metals and alloys." *Progress in Materials Science*. Available at: 

thumb|250px|ریزساختار مقطع یک فلز ضدزنگ (استنلس استیل) پس از اچ شیمیایی — نمونه‌ای از ساختار میکروسکوپی در فلزات

امروزه این مواد در حوزه‌هایی مانند مهندسی سطح، نانوفناوری، مهندسی مواد، هوافضا، ابزارهای برشی، پزشکی، میکروالکترونیک، انرژی و خودروسازی کاربرد گسترده دارند. اهمیت این نوع مواد در این است که مشکل دیرینهٔ تضاد بین استحکام و چقرمگی را کاهش می‌دهند؛ به این معنی که سطح ماده می‌تواند بسیار سخت باشد، در حالی که هستهٔ آن چقرمگی کافی برای جلوگیری از شکست ناگهانی دارد.

در این مقاله، ساختار، تاریخچه، اصول علمی، روش‌های ساخت، ریزساختار، رفتار مکانیکی و حرارتی، کاربردها، چالش‌ها و مسیرهای آینده نانومواد گرادیانی بررسی می‌شود. این مقاله همچنین دارای پیوندهایی به مفاهیم مرتبط مانند نانوکامپوزیت، نانومکانیک، ریزساختار، مهندسی مواد و مواد با کارکرد گرادیانی است.

 تاریخچه 

ایدهٔ ایجاد «مواد گرادیانی» در دههٔ ۱۹۸۰ مطرح شد، زمانی که مفهوم مواد با کارکرد گرادیانی (Functionally Graded Materials) در صنعت هوافضا و حفاظت حرارتی مطرح بود.Kawasaki, A., “Functionally graded materials,” in Materials Science and Technology, Wiley, 2001. اما تا دههٔ ۲۰۱۰، مفهوم «نانوساختار گرادیانی» به‌طور جدی مطرح نشد. توسعهٔ ابزارهای مکانیکی شدید (Severe Plastic Deformation — SPD) و پیشرفت‌های تکنیک‌های سطحی سبب شد پژوهشگران بتوانند لایه‌هایی در ابعاد نانو با گرادیان ریزساختاری کنترل‌شده تولید کنند.

تحقیقات کلیدی Lu، Fang، Wu و Meyers در حدود سال‌های ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۵ نشان داد که ترکیب دانه‌های بسیار ریز در سطح و دانه‌های درشت‌تر در عمق، می‌تواند استحکام بالا و شکل‌پذیری مطلوب را به‌طور هم‌زمان ایجاد کند.Fang, T. H. et al., “Strain-induced nanostructures and gradient nanostructures,” Science, 2011.Wu, X. L., et al., “Gradient nano-graining of metals,” Acta Materialia, 2015.

از ۲۰۱۵ به بعد، تعداد مقالات علمی دربارهٔ این حوزه به‌شدت افزایش یافت و اکنون نانومواد گرادیانی یکی از شاخه‌های مهم نانوفناوری در علم مواد هستند.

 اصول و مبانی علمی 

 مفهوم گرادیان 

thumb|250px|نمونه‌ای شماتیک از یک ماده گرادیانی عملکردی (FGM) با چند لایه — نمایش تغییرات خواص در لایه‌های متفاوت. منبع: Wikimedia Commons, CC‑BY‑SA 4.0.

گرادیان در مواد به معنای تغییر تدریجی یک ویژگی در بعد مکانی است. این ویژگی‌ها می‌توانند شامل موارد زیر باشند:

 اندازهٔ دانه
 انرژی مرزدانه
 چگالی نابجایی
 درصد عناصر آلیاژی
 توزیع فازها
 تنش‌های پسماند
 سختی سطحی

thumb|250px|شماتیک انواع ساختارهای رایج در مواد گرادیانی — تغییر در ترکیب، چگالی یا ساختار ماده. منبع: Wikimedia Commons.

این ساختار از نظر علمی بسیار مهم است، زیرا حرکت نابجایی‌ها، تبلور مجدد، انتقال فاز و رفتار مکانیکی ماده به‌شدت به توزیع این ویژگی‌ها وابسته است.Meyers, M. A., et al., “Mechanical behavior of nanostructured materials,” Elsevier, 2014.Pu, P.; Chen, T. J. (2022). "Nanostructured Metals with an Excellent Synergy of Strength and Ductility: A Review." *Materials*. Available at: 

 نقش مرزدانه 

کاهش اندازهٔ دانه باعث افزایش استحکام طبق رابطهٔ هال–پچ می‌شود. اما دانه‌های بسیار ریز (<۵۰ نانومتر) معمولاً چقرمگی را کاهش می‌دهند. وجود گرادیان دانه‌ای باعث می‌شود مناطق مختلف ماده رفتارهای متفاوتی نشان دهند و جمع این رفتارها خواصی بی‌نظیر ایجاد می‌کند.

 تنش‌های پسماند 

بسیاری از روش‌های ساخت نانومواد گرادیانی موجب ایجاد تنش پسماند فشاری در سطح می‌شوند. این تنش‌ها نقش مهمی در افزایش مقاومت به خستگی و جلوگیری از رشد ترک دارند.Liu, G., et al., Materials Science and Engineering A, 2019.

 روش‌های ساخت 

 ۱. تغییر شکل پلاستیک شدید گرادیانی (Gradient SPD) 

فرایندهایی مانند:

 نورد سرد/گرم گرادیانی
 چکش‌کاری پرسرعت (Shot Peening)
 چرخش سطحی (Surface Mechanical Attrition Treatment — SMAT)
 اکستروژن کانال هم‌محور (ECAP) با قالب‌های گرادیانی

این روش‌ها می‌توانند لایه‌های ۵۰۰ میکرون تا چند میلی‌متر با ساختار نانویی تولید کنند.Wu, X. L., et al., “Gradient nanostructured metals by mechanical surface treatment,” Acta Materialia, 2015.

 ۲. رسوب‌دهی گرادیانی (PVD/CVD/ALD) 

این روش‌ها تغییر تدریجی ترکیب یا انرژی یون‌ها را کنترل می‌کنند و برای تولید پوشش‌های نانوساختار مناسب هستند.

 ۳. آلیاژسازی لیزری گرادیانی 

لیزر با انرژی قابل کنترل می‌تواند ساختار را ذوب، پالایش یا آلیاژسازی کند و گرادیان ایجاد کند.

 ۴. ساخت افزایشی (چاپ سه‌بعدی فلزات) 

فرایندهای SLM و EBM امکان کنترل گرادیان حرارتی و در نتیجه گرادیان ریزساختاری را فراهم می‌کنند.Gong, H., et al., Additive Manufacturing, 2016.

 ۵. روش‌های پودری 

در این روش‌ها پودرهای مختلف با نسبت‌های متفاوت در لایه‌های گوناگون ترکیب می‌شوند و ساختار نهایی پس از تف‌جوشی شکل می‌گیرد.

 ریزساختار 

ریزساختار نانومواد گرادیانی معمولاً شامل سه ناحیه است:

 لایهٔ فوق‌نانوساختار سطحی (۲۰–۵۰ نانومتر)
 لایهٔ انتقالی (۵۰–۲۰۰ نانومتر)
 مرکز میکروساختار (۱–۵ میکرون)

این تغییر تدریجی باعث ترکیب ویژگی‌های متفاوت و افزایش پایداری ماده می‌شود.

 ویژگی‌های مکانیکی 

 استحکام تسلیم بسیار بالا 

به‌علت وجود دانه‌های بسیار ریز در سطح، استحکام تسلیم می‌تواند تا ۲ گیگاپاسکال افزایش یابد.Fang, T. H., Science, 2011.

 چقرمگی بالا 

مرکز درشت‌دانه توان جذب انرژی بالایی دارد و از شکست ترد جلوگیری می‌کند.

 مقاومت به خستگی 

تنش‌های فشاری سطحی و گرادیان ساختار از رشد ترک‌ها جلوگیری می‌کنند.

 مقاومت به سایش 

سطح نانوسخت‌شده در برابر خراش و سایش مقاومت بالایی دارد.

 رفتار حرارتی و الکتریکی 

گرادیان اندازهٔ دانه و ترکیب شیمیایی باعث می‌شود هدایت گرمایی و الکتریکی به شکل غیرخطی تغییر کند. در رساناها و نیمه‌رساناها، گرادیان می‌تواند میدان الکتریکی داخلی ایجاد کند و در فوتونیک و اپتوالکترونیک کاربرد دارد.Yu, H., et al., Applied Physics Letters, 2017.

 مدل‌سازی و شبیه‌سازی 

روش‌های زیر در تحلیل نانومواد گرادیانی استفاده می‌شود:

 شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD)
 روش اجزای محدود (FEM)
 مدل‌های چندمقیاسی
 مدل‌های حرکت نابجایی‌ها

 کاربردها 

thumb|250px|نمونه‌ای از صفحه ماده با گرادیان عملکردی (FGM) پس از آزمایش گلوله‌زنی — سطح ورودی آسیب‌دیده و سطح خروجی بدون آسیب باقی‌مانده. منبع: Wikimedia Commons, US‑DOE.

 هوافضا 

پوشش‌های مقاوم به سایش و حرارت.

 پزشکی 

ایمپلنت‌های تیتانیومی گرادیانی با سطح سخت و مرکز چقرمه.

 ابزارهای برشی 

ابزارهای تراش با ضخامت سطحی نانوسخت‌شده.

 انرژی 

سلول‌های سوختی، لایه‌های ضد خوردگی، توربین‌ها.

 خودرو 

چرخ‌دنده‌ها، میل‌لنگ‌ها، قطعات انتقال قدرت.

 چالش‌ها 

 دشواری کنترل دقیق گرادیان
 پیچیدگی مدل‌سازی
 هزینهٔ بالا
 نبود استاندارد صنعتی
 پایداری حرارتی محدود

 مسیرهای آینده 

 چاپ سه‌بعدی گرادیانی پیشرفته
 مواد چندگرادیانی (Multi-gradient)
 گرادیان‌های هوشمند حساس به گرما یا فشار
 پیوند با میکروالکترونیک و ادوات نانو

 جستارهای وابسته 

 مواد با کارکرد گرادیانی
 نانوفناوری
 نانوکامپوزیت
 نانومکانیک
 ریزساختار
 مواد فوق‌سخت
 مهندسی سطح
 سوپرآلیاژ
 فرایندهای شکل‌دهی فلزات

 منابع 

رده:نانومواد