الانحناءات والتقلبات النانومترية

حول العالم الصغير والمعقد للأنابيب النانوية غير العضوية والأخبار الجيدة التي تجلبها لعالمنا

اختارت الدكتورة يفعات كابلان تاشيري، التي أنهت مؤخرًا عملها البحثي للحصول على الدرجة الثالثة في مختبر البروفيسور رشيف تانا في هذا القسم، دراسة الخواص الميكانيكية للأنابيب النانوية غير العضوية. هذه الهياكل متشابهة في الطريقة
من حيث المبدأ إلى الأنابيب النانوية العضوية، وهي مصنوعة من الكربون (الأكثر شيوعاً)، لكنها لا تحتوي على الكربون. تم اكتشاف وإنتاج الأنابيب النانوية غير العضوية المصنوعة من ثاني كبريتيد التنجستن لأول مرة في مختبر البروفيسور تانا منذ حوالي 15 عامًا. ومنذ ذلك الحين تم اكتشاف أنه يمكن تصنيعها من مجموعة متنوعة من المواد غير العضوية الأخرى. تتمتع كل مادة بخصائص فريدة يمكن أن تقدم فوائد مرغوبة - اعتمادًا على الاستخدام المقصود. ومع ذلك، نظرًا لصعوبة تصنيع الأنابيب النانوية غير العضوية (مقارنةً بأبناء عمومتها الكربونية)، فإن عددًا قليلاً فقط من مجموعات البحث في العالم تقوم بدراستها، ولم يتم بعد دراسة خصائصها بشكل متعمق وعلى نطاق واسع.
ومن ناحية أخرى، تمت دراسة أنابيب الكربون النانوية بدقة، كما تم تطوير طرق خاصة لاختبار خواصها الميكانيكية سابقًا في مختبر البروفيسور فاغنر. إن تطبيق هذه الأساليب على الأنابيب النانوية متعددة الطبقات المصنوعة من ثاني كبريتيد التنغستن، والتي أنتجتها الدكتورة ريتا روزنزويج في مختبر البروفيسور تانا، أتاح للدكتور كابلان إيشاري التحقق من خصائصها
الميكانيكا. خضعت هذه الأنابيب النانوية غير العضوية إلى "تدريب مختصر"، والذي شمل سلسلة من عمليات التمدد والانحناء والضغط، مع فحص سلوكها باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح. وبناءً على هذه الملاحظات، حسبت "درجة لياقتهم البدنية"، أي النقطة التي ينكسرون فيها أو يتمزقون أو يتآكلون عندها بسبب الجهد المبذول. مقارنة القيم التجريبية التي حصلت عليها بالحسابات النظرية المبنية على ميكانيكا الكم، والتي تم إجراؤها في مختبره
أشار البروفيسور جوتهارد سيفرت (ج. سيفرت) في جامعة دريسدن إلى تطابق شبه كامل. بمعنى آخر، وُجد أن الأنابيب النانوية قوية تمامًا كما كان متوقعًا نظريًا، وبالتالي خالية من العيوب تقريبًا. ومن أجل تأكيد النتائج غير العادية، أجرى الدكتور كابلان تاشي أربع سلاسل إضافية من التجارب، باستخدام طرق مختلفة - وتوصل إلى نفس النتيجة في جميعها. نتائج هذه الدراسة التي شارك فيها أيضا الدكتور سيدني كوهين والدكتور قسطنطين جيرتزمان من القسم
للبنى التحتية للبحوث الكيميائية، تم نشرها مؤخرًا في المجلة العلمية "سجلات الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية" (PNAS).
ويعني غياب العيوب أن الأنابيب النانوية غير العضوية هي هياكل قوية للغاية، وأكثر متانة من أي مادة أخرى معروفة. ويمكن استخدام هذه المواد في المستقبل كأساس لجيل جديد من مكونات النانومتر المتقدمة. تم تسجيل أنواع مماثلة من الأنابيب النانوية غير العضوية كبراءة اختراع من قبل شركة "Yade" - التي تروج للتطبيقات التكنولوجية الصناعية القائمة على اختراعات علماء معهد وايزمان للعلوم - ويتم إنتاجها اليوم تجاريًا في إسرائيل وفي جميع أنحاء العالم لاستخدامات مختلفة. مثل مواد التشحيم التي تنتجها شركة "المواد النانوية".

الحلقة المفقودة

وبعد البحث الذي أجراه الدكتور كابلان تاشيري، الذي تمكن من إثبات أن الأنابيب النانوية غير العضوية قوية وخالية من العيوب، ظهر السؤال، كيف يمكن تحقيق هذا الكمال الفريد. للإجابة على هذا السؤال، لا بد من فهم خصائص هذه المواد النانوية فهمًا عميقًا، وقبل كل شيء، يجب توصيف بنيتها بالتفصيل والدقة. في هذه المرحلة، دخلت إلى الصورة الدكتورة مايا بار سيدان، وهي أيضًا طالبة أبحاث سابقة في مختبر البروفيسور تانا. ركزت أبحاثها على الخواص التركيبية للأنابيب النانوية، كباحثة ما بعد الدكتوراه في مجموعة الدكتور لوثر هوبن (L. Houben)، في المركز
بالنسبة للفحص المجهري والمطياف الإلكتروني في معهد أبحاث يوليش في ألمانيا، يستخدم الدكتور بار سيدان أساليب مجهرية متقدمة، ويجمع بين أساليب التصوير وتقنيات معالجة الصور بناءً على التطورات التي تم إجراؤها في مركز أبحاث البروفيسور كنوت أوربان (ك. أوربان). كل هذا يسمح لها بتحديد بنية الأنابيب النانوية غير العضوية متعددة الطبقات، ذرة بذرة.
يمكن وصف الأنابيب النانوية بأنها سطح من الذرات ملفوفة في شكل أسطواني. هناك ثلاثة أنواع من هذه اللفات، اعتمادًا على محور التدحرج: الأنابيب التي يتم تشكيلها عن طريق التدحرج على طول المحور الأفقي للسطح، والأنابيب "المتعرجة" التي يتم تشكيلها عن طريق التدحرج على طول المحور الرأسي، والأنابيب اللولبية التي يتم الحصول عليها عند دحرجة السطح قطريًا. الأنابيب النانوية متعددة الطبقات هي نوع من "البابوشكا" تتكون من عدة أسطوانات موضوعة داخل بعضها البعض. إن بنية الأنابيب النانوية وشكلها، بالإضافة إلى خصائص أخرى مثل ترتيب الذرات وقطرها وزاويتها اللولبية، تحدد خواصها الميكانيكية، مثل المرونة والقوة والتوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري.
اكتشف الدكتور بار سيدان أن الطبقتين أو الثلاث طبقات الخارجية من الأنابيب النانوية غير العضوية تكون دائمًا متطابقة مع بعضها البعض، وهي دائمًا أنابيب تتكون من التدحرج الرأسي أو الأفقي. سيتم بعد ذلك العثور على طبقة مراوانية، وستكون الطبقات الداخلية مرة أخرى من أحد الأنواع الأخرى. هذه النتائج، التي نشرت مؤخرا في المجلة العلمية "سجلات الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية" (PNAS)، تشرح التطابق الدقيق بين بيانات القوة التي تم الحصول عليها في الحسابات النظرية والنتائج التجريبية: تم إجراء الحسابات النظرية على فترة طويلة وأنابيب واسعة
وفي التجارب، تم اختبار الطبقات الخارجية للأنابيب، والتي تحتوي بالفعل على هذه الأشكال فقط. بالإضافة إلى ذلك، أثبتت هذه الأفكار الجديدة أنها ذات أهمية كبيرة عندما يتعلق الأمر بفك رموز بنية الأنابيب النانوية غير العضوية، وسوف تساعد في تحسين عملية إنتاجها. وبهذه الطريقة، سيكون من الممكن إنتاج أنابيب نانوية أفضل وأقوى، مما سيمكن من تطوير استخدامات إضافية لهذه المواد في المستقبل.

تطور المؤامرة

يدرس البروفيسور إرنستو يوسليفيتس وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور كابوري ساتوميدفان ناجفريا، وهو أيضًا من قسم المواد والأسطح في معهد وايزمان، كيفية تفاعل أنابيب الكربون النانوية - ميكانيكيًا وكهربائيًا - عند لفها. بعد ذلك، اتصل بهم البروفيسور تانا، للتحقق مما إذا كان من الممكن دراسة الأنابيب النانوية غير العضوية المصنوعة من ثاني كبريتيد التنغستن بنفس الطريقة، وللتحقق من صلابتها - أي مدى صعوبة لفها.

عندما اقترب الفريق، الذي ضم الدكتور ناجفاريا والدكتور كابلان إيشاري والطالب الباحث أوهاد غولدبرت، من تعبئة الأنابيب النانوية، واجهوا ظاهرة غير متوقعة: بدأت الأنابيب في الصرير - مثل المفصلات الصدئة على باب قديم.

الصرير الناتج عن مثل هذه الاحتكاكات، في آلية تسمى "الانزلاق الملتصق"، مألوف لدى الفيزيائيين الذين يتعاملون مع ظواهر واسعة النطاق، مثل الزلازل أو العزف على الكمان. لكن الانزلاق الحلزوني على المقياس الذري لم يُلاحظ قط، على حد علمنا.
ما الذي يسبب الصرير؟ وأظهرت التجارب الأولية أنه عندما تلتوي الأنابيب النانوية غير العضوية، فإنها تلتصق، على عكس أنابيب الكربون، التي تنزلق فيها الطبقات الخارجية بشكل موحد حول الطبقات الداخلية. ولاحظ الباحثون أنه في المرحلة الأولى، "تلتصق" جميع الطبقات ببعضها البعض وتلتوي معًا، ولكن بعد الالتواء إلى ما بعد زاوية معينة، تنزلق الطبقة الخارجية وتلتف حول الطبقات الداخلية. ثم يبدأ
سلسلة دورية أخرى من الالتصاقات والانزلاقات. ما هو تفسير هذا التصرف الغريب؟ ماذا يحدث عند الزاوية الحرجة، مما يتسبب في تناوب الالتصاق مع الانزلاق؟ ولماذا لم يتم ملاحظة الصرير الالتوائي حتى الآن على المستوى الذري؟
لمحاولة تفسير الظاهرة الجديدة، قام البروفيسور يوسليفيتس والدكتور نجفاريا بتعيين البروفيسور سيفرت لمساعدتهما، واقترحا معًا نموذجًا نظريًا بسيطًا يشرح تأثير الاحتكاك على هياكل الأنابيب النانوية. وقد نشرت الدراسة مؤخرا في المجلة العلمية Physical Review Letters.

وتبين أن مفتاح سر الصرير يكمن في سطح الأنابيب النانوية غير العضوية: حيث تبرز الذرات من السطح المدلفن وتشكل بنية متموجة وخشنة. وبما أن بنية الطبقات الخارجية هي نفسها دائمًا - كما وجد الدكتور بار سيدان - فإن الطبقات "مقفلة" فوق بعضها البعض، مثل كومة من صفائح القصدير المموجة. وحسب العلماء أن هذه الظاهرة تجبر الطبقات على البقاء ملتصقة ببعضها البعض حتى عندما تلتوي. عند نقطة معينة، تصبح القوة التي تعمل على ثني الأنبوب أقوى من القوة التي "تثبت" الطبقات معًا. هذه هي الزاوية الحرجة حيث تبدأ الطبقات في الانزلاق فوق بعضها البعض. ويفسر السطح المتموج أيضًا سلسلة الانزلاقات الدورية التي تتبع ذلك، عندما تحتك الطبقات التي تنزلق ضد بعضها البعض ببعضها البعض. ومن ناحية أخرى، فإن أنابيب الكربون النانوية لها أسطح ناعمة. ولذلك يكون الاحتكاك أصغر، وتكون حركة الانزلاق موحدة وبدون صرير.

وعاء الانصهار

طالب البحث رونين كريزمان، من مختبر البروفيسور تانا، مع الدكتورة آنا إلفو يارون من قسم المواد والأسطح والدكتورة رونيت بوبوفيتز بيرو من قسم البنى التحتية للبحوث الكيميائية، ومع البروفيسور مالكولم جرين وبن ديفيس و اكتشف الطالب سونغ يو هونغ من جامعة أكسفورد طريقة أخرى ومثيرة للدهشة لاختراق قلب الأنابيب النانوية المصنوعة من ثاني كبريتيد التنغستن. لقد فعلوا ذلك عن طريق صهر مادة غير عضوية بدرجة حرارة انصهار منخفضة بالقرب من الأنابيب. اكتشف كريزمان أن القوى الشعرية تسحب السائل المنصهر إلى تجويف الأنبوب، حيث يتصلب ويشكل أنبوبًا نانويًا رقيقًا بمفرده. تم نشر هذا الاكتشاف، الذي يظهر لأول مرة أنبوبًا نانويًا غير عضوي يتشكل داخل أنبوب نانوي غير عضوي آخر، مؤخرًا في المجلة العلمية Angewandte Chemie International Edition.
قد يكون لهذه النتائج تطبيقات مهمة، لأنه من الممكن باستخدام هذه الطريقة إنتاج الأنابيب النانوية حتى من المواد غير العضوية "المترددة". ولم تنجح المحاولات السابقة لصنع الأنابيب النانوية من هذه المواد، لأنها غير مستقرة في بنيتها. باستخدام الطريقة التي طورها كريزمان، يمكن استخدام الأنابيب النانوية المصنوعة من ثاني كبريتيد التنغستن كـ "قالب صب" وكدرع وقائي، وسوف تسمح للمواد الأقل استقرارًا (في هذه الحالة، يوديد الرصاص) بتشكيل هيكل أنبوبي داخل قلبها. ويأمل الباحثون أن يمثل هذا البحث نقطة البداية لإنتاج الأنابيب النانوية غير العضوية من مجموعة متنوعة من المواد، داخل الأنابيب النانوية الموجودة وخارجها، وبالتالي سيكون من الممكن توسيع نطاق الهياكل النانوية الموجودة بشكل كبير.
وبعد ذلك، سيتم تمهيد الطريق لتطوير مجموعة واسعة من المكونات والتطبيقات ذات الخصائص المرغوبة والفريدة من نوعها. وفي بحث كريزمان التالي، يخطط بالتعاون مع الدكتور بار سيدان لتحليل بنية الأنابيب النانوية الداخلية. إن مثل هذا التحليل، إلى جانب التوصيف الكيميائي والفيزيائي، سيجعل من الممكن التحقق من أن الإمكانات التي توفرها أبحاثه السابقة يمكن تحقيقها بالفعل - "بوتقة انصهار" على شكل أنبوب نانوي، يُستخدم لإنتاج أنابيب نانوية أخرى.

الاختصار:

السؤال: كيف يمكن إنتاج الأنابيب النانوية من مواد غير عضوية تكشف عن عدم الاستقرار في البنية الأنبوبية؟

النتائج: تبين أنه من الممكن صهر المادة غير العضوية بالقرب من أنبوب نانوي غير عضوي آخر مستقر. يتم سحب المادة المنصهرة إلى تجويف الأنبوب المستقر، وتتكثف داخله وتشكل أنبوبًا نانويًا رقيقًا.

شخصي

ولدت مايا بار سيدان في تل أبيب عام 1975. أصبحت مهتمة بالعلوم عندما سقطت أسنانها الأولى - ثم تلقت كهدية كتابًا عن بناء الطائرات ومبادئ الطيران. أكملت دراستها الجامعية في الهندسة الكيميائية في التخنيون، وتابعت دراساتها العليا في مختبر البروفيسور شمعون رايخ، في معهد وايزمان للعلوم، حيث تعاملت مع الموصلات الفائقة. في بحثها للدكتوراه، تحت إشراف البروفيسور رشيف تانا، قامت بتصنيع أنواع مختلفة من الفوليرين غير العضوي. ومن بين أمور أخرى، نجحت في إنتاج نوع جديد من الفوليرينات غير العضوية: المجسمات النانوية ذات المقطع العرضي السداسي والمعيني. قامت مع زملائها في ألمانيا بدراسة خصائص الفوليرين باستخدام الفحص المجهري
تخترق الإلكترونات، واكتشفت أن بنيتها الفريدة تملي حالة موصل يشبه المعدن، على عكس المادة الأولية. الدكتورة بار سيدان هي أم لطفلة تبلغ من العمر حوالي ثماني سنوات، وتوأم، صبي وفتاة، يبلغان من العمر حوالي ست سنوات. تقضي وقت فراغها في السفر والقراءة.

شخصي

ولدت يفعات كابلان تشيري في حولون عام 1975. أكملت دراسة الماجستير والدرجة الثالثة في مختبر البروفيسور رشيف تانا في معهد وايزمان، وحصلت على العديد من الجوائز - آخرها جائزة أطروحة الدكتوراه المتميزة لعام 2007. تم الحصول عليها من الجمعية الكيميائية الإسرائيلية. حاليًا، باعتبارها باحثة ما بعد الدكتوراه في مجموعة الدكتورة كاثرين ويليتس في جامعة تكساس في أوستن، تخطط للجمع بين الأساليب الطيفية والمجهرية المتقدمة لدراسة الجزيئات الفردية. الدكتورة كابلان تاشيري متزوجة من إيلاد وأم لرونا تبلغ من العمر حوالي عام. إلى جانب الأنابيب النانوية، فهي مهتمة أيضًا بالعزف على البيانو وصناعة الفخار والقراءة.