هل يمكن جعل الهيدروجين يتمتع بخصائص الجرافين؟

يتعمق بحث جديد في كيمياء ملاحظات الهيدروجين المفاجئة التي تم إجراؤها مؤخرًا، ويكشف عن خطوط متوازية ملحوظة بين الجرافين والهيدروجين تحت ضغوط عالية

[ترجمة د.نحماني موشيه]

تتعمق دراسة جديدة أجرتها جامعة كارنيجي أجراها الباحثان إيفان نوموف ورسل هيملي في الكيمياء الكامنة وراء ملاحظات الهيدروجين الحديثة المفاجئة، وتكشف عن أوجه تشابه ملحوظة بين الجرافين والهيدروجين تحت ضغوط عالية. ونشرت النتائج مؤخرا في المجلة العلمية حسابات البحوث الكيميائية.

الهيدروجين هو العنصر الأكثر شيوعا في الكون. كعنصر يحتوي على إلكترون واحد، يبدو الأمر بسيطًا للغاية، بشكل خادع. ونتيجة لذلك، تم استخدام الهيدروجين كأساس للبحث في مجالات نظرية الروابط الكيميائية منذ ولادة ميكانيكا الكم قبل حوالي مائة عام. يعد فهم الرابطة الكيميائية في ظل الظروف القاسية أمرًا ضروريًا لتوسيع فهمنا لطبيعة المادة عبر مجموعة واسعة من الظروف الموجودة في الكون.
تمثل مراقبة سلوك الهيدروجين تحت ضغوط عالية جدًا تحديًا كبيرًا للباحثين. ومع ذلك، تمكنت فرق البحث مؤخرًا من الكشف عن أنه عند ضغوط أعلى بمقدار 3.5-2 مليون مرة من الضغط الجوي، تقوم ذرات الهيدروجين بترتيب نفسها في بنية غير متوقعة تتكون من صفائح ذات طبقات، وليس في بنية تشبه المعدن معبأة جيدًا، كما توقع الباحثون. منذ سنوات عديدة.

تشبه صفائح الهيدروجين مركب الكربون الجرافين. تتكون كل طبقة من طبقات الجرافين من هيكل سداسي يشبه قرص العسل يتضمن حلقات من ست ذرات كربون. هذا الجرافين العادي، الذي تم تصنيعه لأول مرة منذ حوالي عقد من الزمن، خفيف الوزن للغاية، ومع ذلك فهو قوي للغاية ويوصل الحرارة والكهرباء بكفاءة عالية. وتضمن هذه الميزات تطوير تقنيات ثورية، بما في ذلك المكونات الإلكترونية والبصرية للشاشات، والخلايا الكهروضوئية عالية الأداء، والبطاريات المحسنة بالإضافة إلى أجهزة تخزين الطاقة الأخرى.

يظهر البحث الجديد أن استقرار بنية الهيدروجين غير العادية يرجع إلى الاستقرار المتأصل في حلقات الهيدروجين. تتشكل هذه الحلقات بسبب الظاهرة المعروفة باسم "العطرية"، والتي يتم تركيبها بشكل صحيح للجزيئات التي تحتوي على ذرات الكربون، على سبيل المثال البنزين والجرافين. الهياكل العطرية لها شكل يشبه الحلقة ويمكن رؤيتها على شكل ذرات كربون مرتبطة ببعضها البعض عن طريق روابط مفردة ومزدوجة بالتناوب. ومع ذلك، ما يحدث فعليًا هو أن الإلكترونات المدمجة في هذه الروابط النظرية تصبح غير موضعية وتتحرك داخل دائرة مشتركة داخل الحلقة، مما يزيد من الاستقرار الكيميائي.

وأظهر الباحثون أنه تحت مثل هذه الضغوط العالية، يتحول الهيدروجين في البداية إلى مادة سوداء تشبه المعدن ذات توصيل كهربائي ضعيف، تشبه الجرافيت (الذي يتكون أيضًا من الكربون)، وليس إلى معدن عادي لامع وجيد التوصيل. كما اعتقد الباحثون في الأصل في ضوء الحسابات النظرية التي تم إجراؤها في ثلاثينيات القرن الماضي بمساعدة النماذج المبكرة للمواد الصلبة وعلى أساس ميكانيكا الكم.

على الرغم من أن اكتشاف هذه الطبقة من الهيدروجين المضغوط جاء بمثابة مفاجأة للعديد من الباحثين، إلا أنه منذ حوالي ثلاثين عامًا، تنبأ بعض الكيميائيين -حتى قبل اكتشاف الجرافين- بهذا التركيب الدقيق بناءً على اعتبارات كيميائية بسيطة. يتم التحقق من صحة عمل هؤلاء الكيميائيين وتوسيعه من خلال النتائج الجديدة.
"بشكل عام، تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أن الارتباط الكيميائي يحدث عبر مجموعة أكبر من الحالات مما تم اعتباره سابقًا. وفي الوقت نفسه، فإن العواقب الهيكلية لهذا الارتباط الكيميائي في ظل هذه الظروف القاسية تختلف تمامًا عن تلك التي لوحظت في الظروف العادية والتي هي مألوفة لنا جميعًا".

ملخص المقال
أخبار الدراسة