طريقة جديدة لاستعادة المعادن المكسورة باستخدام العلاج الكهروكيميائي بأقل تكلفة وبآلية مستدامة

تشير التقديرات إلى أن التعدين والتكرير ومعالجة المعادن المستخدمة بشكل شائع في البناء ، والمشار إليها بالمعادن الإنشائية، تساهم بنحو ثلاثة مليارات طن من انبعاثات مكافئ ثاني أكسيد الكربون.

وعلى الرغم من أن إعادة تدوير هذه المواد لديه القدرة على التخفيف من تأثيرها السلبي على البيئة ، فإن العديد منها يعاني من أضرار ، مثل الكسور، والتي يمكن أن تمنعها من إطالة دورة حياتها.

تم استخدام تقنيات درجات الحرارة العالية، مثل اللحام بالنحاس، لإصلاح المعادن منذ آلاف السنين، فإن هذه أيضًا تعاني من قيود في أن بعض السبائك – المواد المعدنية المكونة من عنصرين أو أكثر – عرضة للتشقق تحت الحرارة الشديدة، بعض الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد المعقدة الجديدة معقدة للغاية أو حساسة للغاية بحيث يتعذر الوصول إليها باستخدام هذه الأدوات.

تقنية جديدة  

في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Advanced Materials ، قدم فريق من الباحثين بقيادة جيمس بيكول من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية تقنية جديدة لاستعادة قوة المعادن وصلابتها، استخدم الباحثون هذا “العلاج الكهروكيميائي” لإصلاح المعادن المكسورة في المواد المعدنية المختلفة، بما في ذلك الفولاذ وسبائك الألومنيوم والهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد المعقدة، في ظل ظروف درجة حرارة الغرفة.

يقول بيكول، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية والميكانيكا التطبيقية: “المعادن التي يصعب إصلاحها عادة ما ينتهي بها الأمر كنفايات، مما يتسبب في مشاكل اقتصادية وبيئية”، “تقدم تقنية المعالجة الكهروكيميائية الخاصة بنا حلاً لذلك من خلال تمكين الاسترداد الكامل لقوة شد المعدن، بما في ذلك سبائك الألومنيوم” غير القابلة للحام “المستخدمة في الفضاء، وهذا يفتح الطريق لمجموعة كاملة من الاحتمالات لإصلاح المعادن بطريقة فعالة من حيث التكلفة ومستدامة”.

المؤلف الرئيسي للورقة هو زكريا حسين، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة بيكول للأبحاث وحاصل على درجة الدكتوراه، من بن، يشرح،  أن اللحام بالنحاس يشبه حشو طبيب الأسنان للأسنان من حيث أن التجويف مغلق بإدخال مادة حشو وتوجيهها إلى الموقع الضعيف؛ يمكن أن يصنع اللحام قطعتين من المعدن في قطعة واحدة عن طريق صهرهما باستخدام ليزر أو شرارة عالية الحرارة، ويضيف أن أسلوبهم الجديد في معالجة المعادن يستخدم أسلوبًا مختلفًا لإصلاح المعادن.

يقول حسين: “نطلق على طريقتنا العلاج الكهروكيميائي لأنها تشبه إلى حد كبير كيفية إصلاح أجسامنا لكسر العظام”، “يتم نقل مادة الشفاء إلى موقع الكسر ويتم استعادة القوة من خلال نمو المادة وتوصيلها من أسطح الكسر المعاكسة”.

الإلكتروليت

للسماح للمعدن “بالشفاء”، وضعه الباحثون في نوع من المحلول المائي يعرف بالإلكتروليت، كان خليط الماء المالح يحتوي على أيونات النيكل . قام الفريق بعد ذلك بتطبيق جهد سالب، والذي حرك الأيونات في الإلكتروليت باتجاه الشقوق المعدنية ، مما أدى إلى زيادة الإلكترونات، حتى بدأت أيونات المعادن من الإلكتروليت في سرقة الإلكترونات الزائدة، وهو تفاعل كيميائي يسمى الاختزال، أدى هذا إلى تحويل الأيونات إلى ذرات معدنية صلبة، ومع نمو الذرات على السطح التئمت الكسر.

يقول حسين، “قمنا بتطبيق طلاء بوليمر واقٍ على المعدن ليكون بمثابة حاجز، لذلك عند تعرضه لطلاء النيكل بالكهرباء أو الالتئام، فإنه يقتصر على موقع الكسر ولن يتداخل مع أي أجزاء أخرى من الهيكل المعدني”.

بناءً على دراستهم السابقة التي بحثت في إمكانيات الشفاء الكهروكيميائي لإصلاح المعادن، طور الفريق نموذجًا لقياس فعالية إصلاحاتها في استعادة القوة الميكانيكية بناءً على هندسة الكسر، والقوة الأصلية للهيكل العام، وقوة طلاء النيكل، ومعلمات العملية الأخرى.

ثلاث سبائك مختلفة

طبقوا نموذجهم على ثلاث سبائك مختلفة: فولاذ منخفض الكربون غير مكلف نسبيًا شائع في البناء والآلات وسبائك ألمنيوم “غير قابلين للحام” يشيع استخدامهما في أجنحة الطائرات وأجسامها.

في تجربة لاحقة، تعاون الفريق مع مسعود أكبر زاده، الأستاذ المساعد في الهندسة المعمارية في مدرسة ستيوارت وايتزمان للتصميم، ومصطفى أكبري، طالب دراسات عليا في مختبر الهياكل متعددة السطوح في أكبر زاده، لمعرفة ما إذا كان يمكن استخدام العلاج الكهروكيميائي لإصلاح الطباعة ثلاثية الأبعاد بكفاءة الهياكل.

يقول حسين، “لقد أظهرنا أنه يمكننا استعادة 100٪ من القوة لجميع هذه السبائك إذا اتبعنا نموذجنا”، “بينما اعتمدت التقنيات الكهروكيميائية السابقة على حلول كيميائية متقنة مصممة خصيصًا لكل مادة، فإننا نقدم نهجًا واحدًا يناسب الجميع يمكن تطبيقه على العديد.”

يقول أكبرزاده : “نحن متحمسون بشكل خاص لإمكانية العلاج الكهروكيميائي لإحداث ثورة في إصلاح الهياكل المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد ذات التشكل المعقد”، “من خلال تمكين الاستعادة الكاملة لقوة الشد في هيكلنا الصدفي الذي يصعب لحامه، فإننا نمهد الطريق لعمليات إصلاح أكثر كفاءة واستدامة لمواد البناء هذه التي تزداد رواجًا”.

في البحث المستقبلي، يخطط الفريق للتوسع في عملهم باستخدام الهيكل المطبوع ثلاثي الأبعاد من خلال تصميم وتصنيع المكونات التي تعمل على إصلاح العوامل المطلوبة مسبقًا لضمان تسهيل الاستعادة الفعالة للقوة بسهولة أكبر، بالإضافة إلى ذلك، فهم مهتمون أيضًا بالتحقيق في طرق الإصلاح المستقل وخفض التكاليف باستخدام المعادن البديلة المترسبة كهربائيًا.