سبائك الألمنيوم الأقوى والمقاومة للهيدروجين تُكشف

صعود الألمنيوم: من معدن فاخر إلى ركيزة صناعية

بعض المعادن تطورت مع مرور الوقت من الندرة إلى سلعة. وهذا بالتأكيد ينطبق على الألمنيوم، الذي تم اكتشافه في شكله المعدني فقط في عام 1825، على الرغم من كونه أكثر المعادن وفرة في قشرة الأرض، وأكثر شيوعًا من الحديد.

الفرق مع الحديد هو أن الألمنيوم صعب جدًا تنقيته، ويتطلب درجات حرارة مرتفعة للغاية. نتيجة لذلك، كان في البداية أكثر قيمة من الذهب، واُستخدم فقط كمعدن فاخر للمجوهرات وأدوات المائدة.

يُقال إن نابليون أقام مأدبة حيث قُدِّم للضيوف الأكثر شرفًا أدوات من الألمنيوم بينما اضطر الآخرون لاستخدام الذهب.

مع اختراع عمليات صناعية أفضل، أصبح المعدن المفضل للتطبيقات المقاومة للتآكل، وكذلك لأي شيء يلعب فيه الوزن الخفيف دورًا أساسيًا، مثل تطبيقات السيارات والفضاء. اليوم يُعد أيضًا معدنًا شائعًا لتطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد.

مع ذلك، من المحتمل أن يتم إجراء تحسينات إضافية على سبائك الألمنيوم، بفضل هياكل النانو المتقدمة.

هذا ما اكتشفه الباحثون العاملون في جامعة شيان جياوتونغ، وجامعة شنغهاي جياوتونغ، وجامعة لانزهو، وجامعة شاندونغ، وجامعة خبي للتكنولوجيا، وجامعة كيوشو (اليابان)، وإمبريال كوليدج (المملكة المتحدة)، ومعهد ماكس بلانك (ألمانيا).

طوروا نوعًا جديدًا من سبائك الألمنيوم بزيادة قدرها 40٪ في القوة وزيادة بخمس مرات في مقاومة الهيدروجين، مما يفتح الطريق لتطبيقات جديدة للألمنيوم في اقتصاد هيدروجيني مستقبلي.

نشروا نتائجهم في المراجعة المرموقة Nature¹، تحت عنوان “الهندسة الهيكلية المعقدة للطور تمكّن سبائك الألمنيوم المقاومة للهيدروجين”.

دور الألمنيوم في اقتصاد هيدروجيني مستقبلي

بمجرد أن تمكن البشر من إنتاج درجات حرارة كافية لصهر الألمنيوم، أصبح معدنًا صناليًا مهمًا للغاية. ذلك لأنه يجمع بين خفة الوزن والقوة ومقاومة التآكل في آن واحد.

المصدر: Erect a Step

كما أنه يتفوق على الفولاذ من حيث القابلية للتصنيع، أي سهولة معالجته باستخدام الأدوات الميكانيكية.

أخيرًا، الألمنيوم موصل أفضل بكثير للحرارة والكهرباء، وهو في الواقع المعدن المستخدم في خطوط الطاقة عالية الجهد، بينما يُستخدم النحاس فقط للاتصالات الكهربائية المحلية.

كما يُستخدم عادةً في الأنابيب والخزانات. ومع ذلك، لا يحقق أداءً جيدًا في هذا الدور عندما يتعلق الأمر بتخزين ونقل الهيدروجين. عند تعرضه للهيدروجين، يعاني من عملية تُسمى “الهشاشة”، مما يؤدي إلى التشقق والفشل.

 فهم هشاشة الهيدروجين في المعادن

هشاشة الهيدروجين هي ظاهرة تنتج عن امتصاص المعدن لذرات الهيدروجين، مما يقلل من ليونة المعدن أو قدرته على الانحناء قبل التشقق.

تحدث في الفولاذ والحديد والنيكل والتيتانيوم والكوبالت وسبائكهم. بينما يكون النحاس والألمنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ أقل عرضة لهشاشة الهيدروجين، إلا أنها لا تزال تعاني منها.

عادةً ما يتشكل التشقق حول حبيبة المركبات المعدنية، حيث تتسلل ذرات الهيدروجين وتقلل من الليونة.

المصدر: MTC Solutions

هذه مشكلة متكررة لتطوير اقتصاد هيدروجيني محتمل، حيث تواجه الطرق التقليدية المستخدمة في بناء الأنابيب والخزانات والصمامات مشكلة حقيقية من التدهور السريع وتكوّن التسربات.

وهذا يمثل عائقًا في بناء البنية التحتية التي سيتطلبها النشر الواسع للهيدروجين كوقود.

سبائك مبتكرة: الألمنيوم المعزز بالسكنديم

إضافة السكنديم

لتقليل هشاشة الهيدروجين، فإن أفضل حل هو أن تمتص عناصر أخرى الهيدروجين، مما يحمي معدن الألمنيوم منه. استخدم الباحثون طريقة لإنشاء ترسيبات نانوية من الألمنيوم-السكنديم (Al3Sc).

السكنديم هو عنصر من الأرض النادرة، وتقتصر تطبيقاته الرئيسية على سبائك الألمنيوم. أظهر تصوير المسح الذري (APT) أن سبيكة الألمنيوم-المغنيسيوم العادية لها متوسط حجم الحبيبة 200 μm. بالمقابل، سبيكة الألمنيوم-المغنيسيوم-السكنديم لها متوسط حجم الحبيبة 100 μm فقط.

المصدر: Nature

على هذه الترسيبات، يتشكل هيكل ثلاثي الأبعاد معقد للغاية من الألمنيوم-المغنيسيوم-السكنديم (Al3(Mg,Sc)2). يبدو أن السكنديم يثبت هذا الهيكل ويشكل غلافًا خارجيًا من المغنيسيوم-السكنديم يغطي حبة الألمنيوم في السبيكة.

المصدر: Nature

توزع هذه الترسيبات النانوية المزدوجة في جميع أنحاء السبيكة لتؤدي دورين رئيسيين: مرحلة Al3(Mg,Sc)2 تحجز الهيدروجين وتعزز مقاومته، بينما تعزز الجسيمات الدقيقة Al3Sc القوة.

 تعزيز القوة والمتانة باستخدام Al₃(Mg,Sc)₂

السبيكة التي تم اختراعها حديثًا تتمتع بزيادة بنسبة 80٪ في مقاومة الخضوع (حوالي 100 ميغاباسكال)، أي أقصى إجهاد يمكن تطبيقه قبل حدوث تغيير دائم في الشكل.

ومع ذلك، فإنها تمتلك أيضًا انخفاضًا بنسبة 20٪ في إجمالي استطالة الشد، أي الطول الذي يمكن أن تُمد به السبيكة قبل الانكسار، مقارنةً بالسبيكة الخالية من السكنديم.

بالإضافة إلى ذلك، التعرض للهيدروجين يكون أقل ضررًا، مما يجعل سبيكة الألمنيوم-المغنيسيوم-السكنديم المشحونة بالهيدروجين أقوى من سبيكة الألمنيوم-المغنيسيوم العادية الخالية من الهيدروجين.

المصدر: Nature

بشكل عام، يمكن تلخيص ذلك بزيادة قدرها 40٪ في القوة وتحسين بخمس مرات في مقاومة هشاشة الهيدروجين مقارنةً بالسبائك الخالية من السكنديم.

“استراتيجية التصميم الجديدة لدينا تحل هذا التوازن التقليدي. لم نعد مضطرين للاختيار بين القوة العالية ومقاومة الهيدروجين – هذه السبيكة توفر كلاهما.”
Pr. Baptiste Gault – Head of the group “atom probe tomography” at MPI-Susmat 

التحقق العلمي من مقاومة الهيدروجين

أظهرت التحليلات اللاحقة باستخدام المجهر الإلكتروني والنمذجة الحاسوبية فهمًا أعمق لكيفية عملها.

أثبت المجهر الإلكتروني بصريًا أن ذرات الهيدروجين تتراكم بالفعل في نفس المناطق الغنية بالسكنديم، مما يبرهن على الصلة المباشرة بين السكنديم وحماية الألمنيوم من امتصاص الهيدروجين والهشاشة.

المصدر: Nature

تم أيضًا تطوير نموذج حاسوبي لتفسير كيفية تكوّن الهياكل النانوية. يبدو أنه يشير إلى أن السبيكة المكتشفة حديثًا تتفوق على جميع المركبات بين المعادن والعيوب البلورية المعروفة التي تم الإبلاغ عنها تجريبيًا أو توقعها نظريًا في سبائك الألمنيوم حتى الآن.

المصدر: Nature

حلول قابلة للتوسع للاستخدام الصناعي

تم اختبار هذه الطريقة أيضًا من قبل الباحثين لتعمل مع طرق مختلفة لإنتاج سبيكة الألمنيوم.

كما أظهروا قابلية التوسع باستخدام صب القوالب النحاسية المبردة بالماء وطرق المعالجة الحرارية الميكانيكية التي تتماشى مع المعايير الصناعية الحالية.

يجب أن يصبح هذا أساسًا لجيل مستقبلي من مواد الألمنيوم المصممة لتلبية متطلبات مستقبل يعتمد على الهيدروجين: أقوى، أكثر أمانًا من مخاطر الهشاشة، وجاهز للنشر على نطاق صناعي.

الاستثمار في صناعة الألمنيوم

Alcoa: لاعب رئيسي في ابتكار الألمنيوم

Alcoa هي شركة عالمية للألمنيوم، لها حضور في جميع أنحاء العالم، وتغطي كامل سلسلة إمداد الألمنيوم، من خام البوكسيت إلى معدن الألمنيوم، وكذلك الألومينا (المنتج الوسيط بين البوكسيت والألمنيوم).

المصدر: Alcoa

تدير الشركة عمليات بوكسيت تبلغ 41.3 مليون طن جاف متري (Mdmt) في عام 2024، وتوجه 85٪ من شحناتها إلى مصافي Alcoa.

يُرسل فقط 32٪ من 13.2 مليون طن من الألومينا المنتجة إلى مصانع صهر Alcoa، التي تنتج 2.6 مليون طن من الألمنيوم في عام 2024، بينما يُباع الباقي لأطراف ثالثة.

المصدر: Alcoa

تنتج الشركة الألمنيوم بأشكال مختلفة لتلبية متطلبات العديد من الصناعات التحويلية.

المصدر: Alcoa

بشكل عام، إنتاج الألمنيوم هو نشاط يستهلك طاقة كبيرة، حيث يستخدم الكهرباء مباشرةً في الصهر، والزيت للتعدين، والفحم لتوفير الكربون في عملية الصهر، بالإضافة إلى استهلاك مواد كثيفة الطاقة مثل المواد الكيميائية القلوية.

مع ذلك، قامت Alcoa بجهود كبيرة لتقليل بصمتها الكربونية، مما يجعلها رائدة في الصناعة من حيث انبعاثات الكربون، جزئيًا بفضل مرافق الطاقة الكهرومائية. كما تقدم خط منتجات Alcoa Sustana، الذي يتميز بانخفاض انبعاثات الكربون ومحتوى أعلى من المعادن المعاد تدويرها.

المصدر: Alcoa

قد تؤثر التعريفات الجمركية على الشركة، حيث ستواجه مرافقها في كندا والبرازيل (ومن بين دول أخرى) تعريفات مرتفعة لبيعها إلى الولايات المتحدة. ومع ذلك، تمتلك الشركة أيضًا مرافق إنتاج في الولايات المتحدة، وقد ارتفعت قيمة الألمنيوم المنتج محليًا وفقًا لذلك، مما ينبغي أن يعزز ربحية مصانع صهر Alcoa الأمريكية.

المصدر: Alcoa

بشكل عام، تُعد Alcoa رهانًا قويًا على الشعبية المستمرة للألمنيوم في التصنيع المتقدم، والفضاء، وشبكات الطاقة، وهي جميعها قطاعات من المتوقع أن ينمو الطلب عليها في السنوات القادمة.

أحدث أخبار وتطورات سهم Alcoa (AA)

الدراسات المشار إليها:

^{1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al. الهندسة الهيكلية المعقدة للطور تمكّن سبائك الألمنيوم المقاومة للهيدروجين. Nature 641, 358–364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2}