قاد اكتشاف شكل مستقر لماس أحادي البعد إلى تسابق العلماء لفهم خواصه. والمؤشرات الأولية تقول أن خيوط الماس النانوية ستكون متنوعة الاستخدامات بشكل لم يتوقعه أحد.
لا يكاد يمر أسبوع إلا ويظهر شخص ما في مكان ما ليدعي اكتشافه للمزيد من التطبيقات الجديدة للجرافين Graphene، أحد أشكال الكربون المدهشة المكتشفة حديثًا والتي أماطت اللثام عن عدد لا يحصى تقريبًا من التطبيقات الثورية.
صفحة جرافين Graphene
لُف صفحة جرافين رقيقة على هيئة أنبوب وسيصبح لديك أنبوب كربون نانوي Carbon Nanotubes؛ وهي مادة عجائبية أخرى لها طيف واسع من التطبيقات.
أنبوب كربون نانوي Carbon Nanotubes
خذ عددًا من هذه الأنابيب النانوية وصلها على هيئة كرة مع تعديل بعض الروابط فيما بينها، وسيصبح لديك كرة بوكمينستر فوليرين buckminsterfullerene، وهو جزئ مدهش آخر!
كرة بوكمينستر فوليرين buckminsterfullerene
والآن، يبدو أن هناك طفلًا آخر قد انضم للعائلة الخارقة. فقد أعلن فريق في جامعة ولاية بنسيلفانيا الشهر الماضي أنهم قد استطاعوا تخليق نوعًا آخر من الكربون، والذي يتخذ شكل بلورة ماس أحادية البعد بتاج من الهيدروجين. وأطلقوا على هذه المادة خيط الماس النانوي Diamond Nanothread.
أثار هذا الاكتشاف الكثير من الحماسة وعدد لا بأس به من الأسئلة المثيرة للاهتمام؛ فعلماء العناصر مبهورين بالخواص المحتملة لخيوط الماس النانوية وتطبيقاتها. لكن التخوف الوحيد هنا أن الخيط قد يكون من الهشاشة الكافية لتحطمه كالزجاج تحت الثقل؛ وهو أمر قد يحد من استخداماته إذا ما ثبُت ذلك.
خيوط الماس النانوية Diamond Nanothread.
واليوم، تلقينا بعض التبصرات الجديدة حول خيوط الماس النانوية بفضل العمل الدؤوب للباحث هايفي زان وعدد من رفاقه في جامعة كوينزلاند للتقنية في أستراليا. فقد قام هؤلاء الرفاق بتشكيل الخيوط بالاستعانة بتقنية محاكاة ديناميات الجزيئات واسعة النطاق؛ ليخلصوا بعدها إلى أن للمادة المكتشفة طيف أوسع وأكثر تنوعًا من الاستخدامات التي لم يفكر بها أحد من قبل. هناك بعض المؤشرات التي ترجح بزوغ نجم خيوط الماس النانوية كمادة عجائبية جديدة.
عمل فريق جامعة بنسيلفانيا على تصنيع الخيوط النانوية من جزيئات البنزين، وهي حلقات بسيطة مكونة من ذرات الكربون. لا يصعب علينا تبين الطريقة التي تتراص بها هذه الجزيئات وتتحد على شكل خيط.
وكان هذا هو ما قام به فريق جامعة بنسيلفانيا بالضبط. فقد قاموا برص الجزيئات في خط، وعرضوها لضغط حتى تتبلمر و …. بهذا يكونوا قد صنعوا خيط ماس نانوي!
يبدو هذا سهلًا يسيرًا بشكل نظري، لكن صعوبة وتعقيد الأمر يكمنان في الطريقة التي تتحد بها ذرات الكربون.هناك العديد من التكوينات المحتملة والمتاحة، لكن السؤال الذي بحثه زان وزملائه كان “كيف تتأثر خواص الخيط باختلاف هذه التكوينات؟“
للإجابة على هذا السؤال، تفحص زان ورفاقه التكوينين الأكثر شيوعًا في عالم الكربون. الأول هو حلقات البنزين المتبلمرة الصريحة والمدموجة معًا، والنتيجة هي جزئ متيبس يصبح أكثر هشاشة كلما زاد طوله. صنع أي شيء معقد التركيب بقطاعات طولية من بوليمرات البنزين هذه سيكون أشبه بخياطة ثوب باستخدام مكرونة الاسباجيتي غير المطهية!
لكن هناك تكوينًا آخر لذرات الكربون يعرف بـ اعتلالات ستون ويلز Stone-Wales defects، وتتسم بكونها أكثر ليونة وطواعية. لذا، تلعب تكوينات اعتلالات ستون ويلز الخاصة بالكربون دور المفصلات التي تربط قطاعات بوليمرات البنزين المتيبسة.
قام زان ورفاقه بمحاكاة الطريقة التي تتباين بها خواص الخيوط النانوية بزيادة كثافة هذه الاعتلالات، وتوصلوا إلى أنه عندما تتعدى الكثافة حدًا معينًا، يتبدل الخيط فجأة من الحالة الهشة المتيبسة ويستحيل مرنًا بالكامل! أي أن مكرونة الاسباجيتي غير المطهية تصير كاملة النضج!
شكل هذا بالطبع نتيجة مثيرة للاهتمام لأقصى حد؛ فهي تشير إلى إمكانية تبديل خواص الخيط النانوي ببساطة بالتحكم بكثافة اعتلالات ستون ويلز. أي أنه يمكن جعل بعض أجزاء الخيط صلبة، بينما تظل أجزاء أخرى مرنة بالكامل.
بالطبع كل ما سبق هو مجرد محاكاة معملية، وستظهر بعض الفروق حتمًا بين التوقعات المعقودة وسلوك خيوط الماس النانوية في العالم الحقيقي. لذا، فالخطوة القادمة لعلماء العناصر ستكون استغلال خيوط الماس النانوية لصنع تركيبات ومعماريات أكثر تعقيدًا وقياس خواص هذه المادة المدهشة على أرض الواقع.
بقياس الاهتمام الهائل حاليًا بمعماريات الكربون ومبالغ المال الضخمة المخصصة للأبحاث في هذا المجال، بعدما خصص الاتحاد الأوروبي وحدة مليار يورو لتمويل مشروع أبحاث يركز على الجرافين فقط؛ لن يطول بنا الوقت كثيرًا حتى نرى تقنية خيوط الماس النانوية في كثير من التطبيقات الاستثنائية التي لم تكن لتصبح ممكنة لولا هذا التكوين الجديد والمدهش للكربون.
المرجع:
arxiv.org/abs/1511.01583: From Brittle to Ductile: A Structure Dependent Ductility of Diamond Nanothread
رد مع اقتباس
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة أحمد العثمانيے
