إن ربط صفائح من المواد بسمك ذرة واحدة يخلق مواد ذات خصائص جديدة تمامًا ويفتح نافذة على إمكانيات مذهلة * لقد كان التقدم البشري دائمًا مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا باكتشاف مواد جديدة وكتل الليغو على مقياس النانومتر هي الشيء الذي لم يسبق له مثيل من قبل.
لقد استلهمت أجيال من العقول الذكية فكرة الليغو: الكتل البلاستيكية الصغيرة التي تتصل ببعضها البعض. وأصبحت هذه المكعبات عبارة عن سيارات خيالية وقلاع مترامية الأطراف وإبداعات أخرى أكبر من مجموع أجزائها. واليوم، يستوحي جيل كامل من علماء المواد الإلهام من نوع جديد من ألعاب الليغو: وحدات بناء على المستوى الذري.
إن وحدات البناء الجديدة هذه عبارة عن صفائح رقيقة من المواد يمكن أن يصل سمكها إلى ذرة واحدة ويمكن تكديسها فوق بعضها البعض بطريقة منظمة ودقيقة. هذه الدقة غير المسبوقة في مواد البناء يمكن أن تمكن من إنتاج مواد ذات خصائص بصرية وكهربائية كان من المستحيل تحقيقها في السابق. تسمح هذه الميزات للعلماء بتخيل التطبيقات المستقبلية مثل الأجهزة التي ستتكون من مواد تكون مقاومتها الكهربائية صفر تقريبًا، وأجهزة كمبيوتر أسرع ولديها قدرة حاسوبية أكبر من أجهزة الكمبيوتر المتوفرة اليوم، وأدوات إلكترونية خفيفة بما يكفي لارتدائها وثنيها وثنيها. مطوية.
نتج هذا الإنجاز عن إنشاء مادة تسمى الجرافين، والتي تتكون من ورقة واحدة من ذرات الكربون. قمت أنا وزملائي في جامعة مانشستر بإنجلترا بعزل هذه المادة من كتلة أكثر سمكًا من الجرافيت في عام 2004. لقد أنشأنا ورقة الجرافين، وهي مادة تتكون على المستوى الذري من سطح ثنائي الأبعاد من الأشكال السداسية، وبالتالي تبدو أشبه بشبكة سياج حظيرة الدجاج، عن طريق تقشير طبقات بسماكة ذرة واحدة من نهاية كتلة من الجرافيت باستخدام شريط لاصق. على مدى السنوات العشر الماضية، تمكن الباحثون من العثور على عشرات البلورات الأخرى التي يمكن سحب صفائح ثنائية الأبعاد من المواد منها بطريقة مماثلة، ويستمر عدد هذه البلورات في الزيادة بسرعة. الميكا (ميكا) هي أحد الأمثلة على مثل هذه البلورات وكذلك المواد ذات الأسماء الغريبة مثل البورون السداسي وثاني كبريتيد الموليبدينوم.
تعتبر هذه الصفائح من البلورات ثنائية الأبعاد لأن سمك الذرة الواحدة هو الحد الأدنى للسمك الذي يمكن أن تصل إليه أي مادة. (من الممكن أيضًا استخدام بلورات أكثر سمكًا قليلًا، مثلًا بسمك ثلاث ذرات). أما الأبعاد الأخرى لهذه الصفائح ثنائية الأبعاد، أي طولها وعرضها، فيمكن أن تكون أكبر بكثير، اعتمادًا على أهداف صانع المادة. في السنوات الأخيرة، أصبحت البلورات ثنائية الأبعاد موضوعًا ساخنًا في علوم المواد وفيزياء الحالة الصلبة لأنها تتمتع بالعديد من الخصائص الفريدة.
يمكن تكديس هذه الطبقات بطرق مستقرة إلى حد ما، على الرغم من أنها لا ترتبط ببعضها البعض بالطريقة الكيميائية المعتادة، على سبيل المثال الروابط التساهمية حيث تتشارك الذرات الإلكترونات مع بعضها البعض. وعلى العكس من ذلك، في هذه المواد، تنجذب الذرات من الطبقات المتجاورة إلى بعضها البعض بواسطة قوى ضعيفة تعرف باسم قوى فان دير فالس. عادة لا تكون قوى فان دير فال قوية بما يكفي لربط الذرات والجزيئات معًا، ولكن نظرًا لأن الصفائح البلورية ثنائية الأبعاد كبيرة جدًا ومليئة بالذرات وقريبة جدًا من بعضها البعض، فإن هذه القوى تتراكم وتصبح قوية جدًا.
لفهم الإمكانيات المحيرة لهندسة مثل هذه المواد، خذ بعين الاعتبار، على سبيل المثال، الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة. على مدى أجيال، حاول العلماء نقل الكهرباء دون فقدان الطاقة، والقيام بذلك دون الحاجة إلى تبريد الأجهزة الكهربائية إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. إذا تم العثور على المواد التي تجعل هذا ممكنا، فإن العواقب على حضارتنا ستكون بعيدة المدى. وهناك إجماع واسع النطاق على أن هذا الهدف قابل للتحقيق من حيث المبدأ، ولكن لا أحد يعرف كيفية تحقيقه. أعلى درجة حرارة تصبح عندها المواد فائقة التوصيل هي أقل من 100 درجة مئوية تحت الصفر، وفي العشرين عامًا الماضية لم يتم إحراز تقدم يذكر في رفع هذا الحد.
لقد علمنا مؤخرًا أن هناك بعض الموصلات الفائقة مصنوعة من الأكاسيد، أي مركبات العناصر مع الأكسجين، والتي يمكن تقسيمها إلى طبقات ثنائية الأبعاد بالطريقة التي وصفتها أعلاه. وماذا سيحدث إذا قمنا بإعادة تجميع هذه الطبقات، بترتيب مختلف، وأدخلنا طبقات بلورية أخرى بينها؟ نحن نعلم أن الموصلية الفائقة في الأكاسيد تعتمد على التباعد بين الطبقات وأن إضافة المزيد من الطبقات بين المستويات البلورية يمكن أن يحول بعض المواد ذات الموصلات الرديئة، أو حتى العوازل، إلى موصلات فائقة.
لم يتم اختبار هذه الفكرة بشكل كامل بعد، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن تقنية إنشاء الليغو على المستوى الذري لا تزال في مهدها. مما لا شك فيه أنه من الصعب تجميع هياكل معقدة متعددة الطبقات. في الوقت الحاضر، من النادر أن تحتوي مثل هذه الهياكل على أكثر من خمس طبقات مختلفة وعادة ما يتم بناؤها من نوعين أو ثلاثة أنواع فقط من مكعبات الليغو. عادة ما يكون الجرافين مدمجًا مع بلورات ثنائية الأبعاد من نيتروجين البورون، والذي يستخدم كعازل، ومع الموصلات الفائقة مثل ثاني كبريتيد الموليبدينوم وثاني كبريتيد التنغستن. نظرًا لأن هذه الأكوام ذات الطبقات تحتوي على العديد من المواد، غالبًا ما يشار إليها باسم "الهياكل المتغايرة". حاليًا، هذه الهياكل المتغايرة صغيرة جدًا، ولا يزيد طولها وعرضها عن 10 ميكرون تقريبًا، أي أقل من مساحة المقطع العرضي لشعرة الإنسان.
باستخدام هذه الأكوام ذات الطبقات، يمكننا إجراء تجارب بحثًا عن خصائص كهربائية وبصرية جديدة بالإضافة إلى تطبيقات جديدة. على سبيل المثال، الجانب الرائع لهذه الطبقات هو أنه على الرغم من رقتها، فهي مرنة وشفافة تمامًا. قد تتيح هذه الميزات تطوير أجهزة باعثة للضوء يمكن تصميمها بطرق مختلفة، على سبيل المثال شاشات العرض التي يمكن طيها وفتحها وفقًا لاحتياجات المستخدم. خيار آخر هو رقائق الكمبيوتر ذات كفاءة الطاقة العالية.
وإذا أسفرت هذه التجارب عن اكتشاف مهم، فإننا نعتقد أنه سيكون من الممكن نقل التكنولوجيا إلى نطاق صناعي. لقد حدث هذا بالفعل مع الجرافين والبلورات الأخرى ثنائية الأبعاد: في البداية تم إنتاجها كبلورات بحجم بضعة ميكرونات، ولكن الآن من الممكن إنتاجها على شكل صفائح تصل مساحتها إلى مئات الأمتار المربعة.
وعلى الرغم من عدم الإبلاغ عن أي تطبيق رائد لهذه المواد حتى الآن، فإن التقدم في هذا المجال يخلق ضجة من الإثارة في المجتمعات العلمية. لقد كان التقدم البشري دائمًا مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا باكتشاف مواد جديدة. وكانت مثل هذه الاكتشافات سببًا في التحولات بين العصور الحجرية والبرونزية والحديدية والسيليكونية. إن طوب الليغو بمقياس نانومتر هو شيء لم يسبق له مثيل من قبل، ويبدو الآن أنه لا يوجد حد لما سيسمح به.
عن المؤلف
أندريه ك. جيم عالم فيزياء بجامعة مانشستر في إنجلترا. وفي عام 2010، فاز (مناصفة) بجائزة نوبل في الفيزياء عن أبحاثه في مجال الجرافين.
تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل
أرض الكربون العجيبة - نبذة عن الفائزين بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010، مجلة ساينتفيك أمريكان
الجرافين - الشبكة الذرية الأكثر مثالية على الإطلاق
الجديد من لعبة أندريه - التيفلون المصنوع من الجرافين
