الكربون العجائب بحلول عام 2010 الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء أندريه جيم وفيليب كيم

يعد الجرافين، وهو شكل جديد معزول من الكربون، مصدرًا غنيًا للفيزياء الأساسية المبتكرة والتطبيقات العملية

فكر للحظة في قلم الرصاص المتواضع. قد لا تتفاجأ إذا قلنا لك أن أداة الكتابة هذه، الشائعة جدًا اليوم، كانت ذات يوم على رأس قائمة الألعاب عالية التقنية المرغوبة. في الواقع، تم منع تصدير قلم الرصاص البسيط ذات مرة نظرًا لكونه أحد الأصول العسكرية الاستراتيجية. لكن الخبر غير المتوقع عنه هو أنه في كل مرة يرسم فيها شخص ما خطًا بقلم رصاص، فإن العلامة الناتجة تحتوي على أجزاء من المادة الجديدة الأكثر سخونة في الفيزياء وتكنولوجيا النانو: الجرافين.

يُصنع الجرافين من الجرافيت، وهو الحشو الأسود داخل قلم الرصاص: وهو نوع من الكربون النقي مصنوع من طبقات مسطحة من الذرات مكدسة فوق بعضها البعض. تم اكتشاف البنية الطبقية للجرافيت منذ مئات السنين. وبطبيعة الحال، حاول الفيزيائيون وعلماء المواد تقسيم هذا المعدن إلى صفائح تشكله، ولو لمجرد إتاحة الفرصة لدراسة مادة قد يتبين أنها تتمتع بهندسة بهذه البساطة الأنيقة. الجرافين هو الاسم الذي يطلق على هذا النوع من الألواح المفردة. وهي مصنوعة بالكامل من ذرات الكربون المرتبطة ببعضها البعض في شبكة دورية من الأشكال السداسية مرتبة في مستوى يبلغ سمكه ذرة واحدة فقط.

ولكن لسنوات عديدة، فشلت جميع المحاولات لإنتاج الجرافين فشلا ذريعا. كان النهج المبكر الأكثر شيوعًا هو إدخال جزيئات بين المستويات الذرية للجرافيت لتكون بمثابة إسفين لفصل المستويات عن بعضها البعض، أي تطبيق تقنية تسمى التقشير الكيميائي. على الرغم من عدم وجود شك تقريبًا في أن طبقات الجرافين انفصلت عن الجرافيت في مرحلة متوسطة من العملية، إلا أنه لم يتم تحديدها أبدًا على هذا النحو. وبدلاً من ذلك، كان المنتج النهائي الناتج عبارة عن عجينة من جزيئات الجرافيت السوداء التي تشبه السخام الرطب. تضاءل الاهتمام المبكر بالتقشير الكيميائي وتلاشى.

وبعد وقت قصير اتخذ المجربون نهجا أكثر مباشرة. لقد قاموا بتقسيم بلورات الجرافيت إلى شرائح دقيقة بشكل متزايد عن طريق كشطها أو فركها على سطح آخر. وعلى الرغم من بدائية الطريقة، المعروفة باسم التجزئة الميكانيكية الدقيقة، إلا أنه من المدهش أن أدائها كان مثيرًا للإعجاب. نجح الباحثون في تقشير طبقات رقيقة من الجرافيت يقل سمكها عن 100 مستوى ذري. في عام 1990، على سبيل المثال، قام فيزيائيون ألمان من جامعة RWTH في مدينة آخن بعزل طبقات الجرافيت التي كانت رقيقة جدًا لدرجة أنها كانت شفافة للضوء.

وبعد عشر سنوات، أدرج أحدنا (كيم) عملية التجزئة الميكانيكية الدقيقة في عمل مشترك مع يوانبو تشانج، الذي كان في ذلك الوقت طالبًا باحثًا في جامعة كولومبيا. وبمساعدة الطريقة المحسنة، قاموا بإنشاء نسخة عالية التقنية من قلم الرصاص: "قلم نانو" بالطبع. أنتجت "الكتابة" باستخدام قلم الرصاص النانوي شرائح من الجرافيت لا يزيد سمكها عن بضع عشرات من الطبقات الذرية. لكن المادة الناتجة كانت عبارة عن جرافيت رقيق وليس جرافين. ولم يعد أحد يعتقد أن المادة يمكن أن توجد في الطبيعة.

وجاءت نهاية هذا الافتراض المتشائم في عام 2004. كان أحدنا (جايم)، بالتعاون مع كوستيا س. نوفوسلوف، الذي كان آنذاك زميلًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه، وشركاؤه في جامعة مانشستر في إنجلترا، منخرطًا في البحث في مجموعة متنوعة من الأساليب لإنشاء عينات جرافيت أقل سمكًا. في هذا الوقت، بدأت معظم المختبرات مثل هذه التجارب باستخدام السخام، لكن جيم وزملاؤه بدأوا بشكل عشوائي برقائق الجرافيت المتبقية بعد كسر الجرافيت ميكانيكيًا، وتبين أن هذه الطريقة كانت مربحة بشكل لا يصدق. لقد قاموا ببساطة بربط هذه الشريحة بشريط لاصق بلاستيكي، ثم قاموا بطي الجانب اللاصق من الشريط فوق الرقاقة ثم قاموا بفصل الجزأين عن بعضهما البعض، وبالتالي تقسيم الرقاقة إلى نصفين. كرر المجربون العملية مرارًا وتكرارًا، وأصبحت الشظايا الناتجة أرق وأرق. عندما كان لدى الباحثين العديد من الشظايا الرفيعة في أيديهم، قاموا بفحص القطع بعناية فائقة - ودهشوا عندما اكتشفوا أن نواة بعضها تحتوي على ذرة واحدة فقط. وكانت المفاجأة أكبر عندما رأوا أن قطع الجرافين التي تم تحديدها حديثًا تتمتع بجودة بلورية عالية وثبات كيميائي حتى في درجة حرارة الغرفة.

ولّد الاكتشاف الفعلي للجرافين موجة من الاهتمام البحثي الدولي. إنها ليست أرفع مادة ممكنة فحسب، بل إنها أيضًا قوية وصلبة بشكل لا يصدق. علاوة على ذلك، فهو في شكله النقي يوصل الإلكترونات في درجة حرارة الغرفة بشكل أسرع من أي مادة أخرى. واليوم، ينشغل المهندسون في المختبرات حول العالم بدراسة هذه المادة لتحديد ما إذا كان من الممكن معالجتها وتحويلها إلى منتجات مثل الهياكل فائقة الصلابة، وشاشات العرض الذكية، والترانزستورات فائقة السرعة، وأجهزة الكمبيوتر التي تعمل باستخدام هياكل صغيرة تسمى النقاط الكمومية.

وفي الوقت نفسه، فإن الطبيعة الغريبة للجرافين على المستوى الذري تسمح للفيزيائيين بدراسة الظواهر التي يجب وصفها باستخدام فيزياء الكم النسبية. إن التحقيق في مثل هذه الظواهر، التي تعد من أكثر الظواهر غرابة في الطبيعة، كان حتى الآن حكرا على علماء الفيزياء الفلكية والفيزيائيين المتخصصين في الجسيمات عالية الطاقة، ولهذا استخدموا التلسكوبات التي تكلف عشرات الملايين من الدولارات أو مسرعات الجسيمات التي تكلف عشرات المليارات من الدولارات. يسمح الجرافين للتجارب باختبار تنبؤات ميكانيكا الكم النسبية بمساعدة الأجهزة الموجودة على طاولة المختبر.

من فضلكم، تعرفوا على عائلة جرافين

ونظرًا للانتشار الواسع لقلم الرصاص في الوقت الحاضر، فمن المثير للاهتمام أن نلاحظ أن المادة المعروفة باسم الجرافيت لم تلعب دورًا في الثقافات المتعلمة القديمة مثل الصين واليونان. فقط في القرن السادس عشر اكتشف الإنجليز رواسب كبيرة من الجرافيت النقي، الذي كان يسمى آنذاك بلومباجو ("خام الرصاص" باللاتينية. وهذا هو أصل التعبير غير الصحيح "الرصاص في قلم الرصاص" الذي منه الكلمة العبرية قلم رصاص مشتق - المحررين). وقد ظهرت فعاليته كمادة تمييز على الفور، ولم يتردد الإنجليز وابتكروا بديلاً مناسبًا للريشة والحبر. وسرعان ما أصبح قلم الرصاص "الصرخة الأخيرة" بين المتعلمين في أوروبا.

ومع ذلك، لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1779 عندما أظهر الكيميائي السويدي كارل شيل أن البلمباجو عبارة عن كربون وليس رصاص. وبعد عشر سنوات، قال الجيولوجي الألماني أبراهام جوتلوب فيرنر إنه ربما ينبغي تسمية المادة بالجرافيت، وهو ما يعني "الكتابة" باللغة اليونانية. وفي الوقت نفسه، اكتشف مصنعو الأسلحة استخدامًا آخر لهذا الخام المتفتت: فقد وجدوا أنه مرشح مثالي لدور الطلاء الداخلي لقوالب صب قذائف المدفع. أصبح هذا الاستخدام سرًا عسكريًا يخضع لحراسة مشددة. خلال الحروب النابليونية، على سبيل المثال، حظر التاج البريطاني بيع الجرافيت وأقلام الرصاص إلى فرنسا.

وفي العقود الأخيرة، استعاد الجرافيت القليل من وضعه التكنولوجي المتقدم، عندما قام العلماء بالتحقيق في الخصائص والتطبيقات المحتملة لبعض الهياكل الجزيئية للكربون التي لم تكن معروفة حتى ذلك الحين وتظهر في المواد الجرافيتية العادية. أولها، جزيء على شكل كرة قدم يسمى كرة بوكي، تم اكتشافه في عام 1985 من قبل الكيميائيين الأمريكيين روبرت كارل وريتشارد أ. سمالي بالتعاون مع زميلهم الإنجليزي هاري كروتو. وبعد ست سنوات، حدد الفيزيائي الياباني سوميو إيجيما الهياكل الكربونية الأسطوانية التي تشبه قرص العسل والتي تسمى أنابيب الكربون النانوية. وقد أبلغ العديد من الباحثين عن الأنابيب النانوية في العقود التي سبقت ذلك، ولكن بعد ذلك لم يدرك أحد أهميتها. تم إعطاء الهيكلين الجزيئيين الجديدين اسم الفوليرين (الفوليرين - تم تسمية هذا الاسم، مثل اسم "كرات بوكي"، تكريمًا للمهندس المعماري والمهندس البصير، بكمينستر فولر، الذي اكتشف هذه الأشكال في الهياكل التي صممها حتى قبل تم اكتشاف الهياكل الكربونية نفسها).

شبكة سداسية جزيئية

يتم ترتيب الذرات التي تشكل الجرافيت والفوليرين والجرافين في نفس المجموعة الهيكلية الأساسية: حلقة من ست ذرات كربون مرتبطة ببعضها البعض على شكل مسدس متقن - وهو هيكل يسميه الكيميائيون حلقة البنزين.

في المستوى الثاني من التنظيم، الذي يشكل الجرافين نفسه، تتصل العديد من حلقات البنزين وتشكل ورقة من الأشكال السداسية تشبه شبكة أقفاص الدجاج. الأشكال الأخرى من الكربون في العائلة مبنية من صفائح الجرافين. كرات بوكي والعديد من الفوليرينات غير الأنبوبية الأخرى هي في الواقع صفائح من الجرافين مطوية على المقياس الذري إلى كرات، وأشكال كروية ممدودة (أشكال كروية)، وما شابه ذلك. أنابيب الكربون النانوية هي في الأساس صفائح من الجرافين ملفوفة في أسطوانات صغيرة. وكما ذكرنا هنا، الجرافيت عبارة عن كومة سميكة ثلاثية الأبعاد من صفائح الجرافين. ترتبط الصفائح ببعضها البعض بمساعدة قوى جذب ضعيفة بين الجزيئات تسمى قوى فان دير فالس. إنها الرابطة الضعيفة بين صفائح الجرافين المتجاورة التي تسمح للجرافيت بالتكسر بسهولة إلى شرائح رفيعة صغيرة تشكل العلامة التي تركها قلم الرصاص على الورقة.

إذا نظرنا إلى الوراء، فمن الواضح أن الفوليرين كان حولنا طوال الوقت، على الرغم من أنه كان مخفيا عن أعيننا حتى وقت قريب. فهي تظهر، على سبيل المثال، في السخام الذي يغطي كل شواية، ولو بكميات صغيرة. وبنفس الطريقة تمامًا، يمكن العثور على قطع من الجرافين في كل علامة بقلم رصاص، على الرغم من أنها ظلت أيضًا مخفية عن أعيننا لفترة طويلة. ولكن منذ اكتشافها، كرّس المجتمع العلمي الكثير من الاهتمام لجميع هذه الجزيئات.

تكمن الأهمية الرئيسية لكرات بوكي في كونها مثالًا لنوع جديد من الجزيئات، على الرغم من أنه من الممكن أن يكون لها أيضًا تطبيقات مهمة، خاصة في تقنيات توصيل الدواء. تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بمجموعة من الخصائص غير العادية - الكيميائية والكهربائية والميكانيكية والبصرية والحرارية - التي ألهمت مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة المبتكرة، مثل المواد التي يمكن أن تحل محل السيليكون في الرقائق الدقيقة والألياف التي يمكن استخدامها لنسج كابلات خفيفة الوزن وقوية بشكل لا يصدق. على الرغم من أن الجرافين نفسه - أبو جميع الهياكل الجرافيتية - كان مرتبطًا بمثل هذه الرؤى منذ بضع سنوات فقط، فمن المتصور أن الرؤى حول الفيزياء الأساسية والتطبيقات التكنولوجية المثيرة للاهتمام التي ستجلبها هذه المادة في أجنحتها ستكون أكثر بكثير من تلك التي من أبناء عمومته الكربون.

استثنائي استثنائي

هناك خاصيتان للجرافين تجعلانه مادة غير عادية. أولاً، على الرغم من الطرق الخام نسبيًا التي يتم بها إنتاجه، فإن الجرافين يُظهر جودة عالية بشكل لا يصدق - ناتجة عن مزيج من نقاء محتواه من الكربون والترتيب المنهجي لذراته في الشبكة. حتى الآن، لم يتمكن الباحثون من العثور حتى على عيب ذري واحد في الجرافين - على سبيل المثال، مكان في الشبكة يفتقد ذرة أو ذرة تحركت من مكانها. من الواضح أن هذا الترتيب البلوري المثالي يرجع إلى الروابط الذرية القوية والمرنة بشكل لا يصدق والتي تجعل المادة أصلب من الماس، ولكنها تسمح للمستويات بالانحناء عند تطبيق قوة ميكانيكية عليها. تسمح المرونة للهيكل بتحمل التشوه الكبير قبل أن تضطر الذرات إلى إعادة ترتيب نفسها لاستيعاب التمدد.

تعد جودة البنية البلورية للجرافين مسؤولة أيضًا عن الموصلية الكهربائية العالية. يمكن للإلكترونات أن تتحرك في الشبكة دون عيوب وتحولها الذرات الغريبة عن اتجاه التيار. وحتى ثقوب ذرات الكربون المحيطة، والتي يجب أن تتعامل معها إلكترونات الجرافين في درجة حرارة الغرفة، تكون صغيرة نسبيًا بسبب القوة الكبيرة للروابط بين الذرات.

الخاصية الثانية غير العادية للجرافين هي أن إلكتروناته التوصيلية، بالإضافة إلى تحركها حول الشبكة دون عوائق تقريبًا، تتحرك أيضًا بشكل أسرع بكثير من الإلكترونات الحرة في المعادن العادية وأشباه الموصلات. وفي الواقع، فإن الإلكترونات الموجودة في الجرافين - أو ربما "حاملات الشحنة الكهربائية" مصطلح أكثر ملاءمة - هي مخلوقات غريبة تعيش في عالم غريب، حيث تلعب القوانين الموازية لقوانين ميكانيكا الكم النسبية دورا مهما. هذا النوع من التفاعل داخل المادة الصلبة فريد من نوعه بالنسبة للجرافين، على حد علم العلماء. وبفضل هذه المادة المبتكرة، التي تم إنتاجها من قلم رصاص، لم تعد ميكانيكا الكم النسبية تقتصر على علم الكونيات أو فيزياء الطاقة العالية. الآن تدخل المختبر.

الانفجار الكبير في ستوتشلانديا الكربونية

لتقدير السلوك الغريب لحاملات الشحنة الكهربائية في الجرافين، قد يكون من المفيد مقارنته بالطريقة التي تتحرك بها الإلكترونات العادية في الموصل العادي. على سبيل المثال، الإلكترونات "الحرة" التي تشكل تيارًا كهربائيًا في المعدن ليست حرة حقًا لأنها لا تتصرف تمامًا مثل الإلكترونات التي تتحرك في الفراغ. تحمل الإلكترونات بطبيعة الحال شحنة كهربائية سالبة، لذلك عندما تتحرك عبر المعدن فإنها تترك شحنة موجبة على ذراتها الأم في المعدن. لذلك، عندما تتحرك الإلكترونات عبر الشبكة، فإنها تتأثر بالمجالات الكهروستاتيكية التي تخلقها، والتي تسحبها وتدفعها في جميع الاتجاهات بطريقة معقدة. والنتيجة النهائية هي أن الإلكترونات المتحركة تتصرف كما لو أن كتلتها مختلفة عن كتلة الإلكترونات العادية - وبعبارة أخرى، لديها "كتلة فعالة". يطلق الفيزيائيون على حاملات الشحنة هذه اسم أشباه الجسيمات. تتحرك هذه الجسيمات المشحونة، مثل الإلكترونات، بسرعة أبطأ بكثير من سرعة الضوء عبر المعدن الموصل. وبالتالي ليست هناك حاجة لتطبيق تصحيحات أينشتاين النسبية على تحركاتها، حيث أن النظرية تصبح مهمة فقط عند السرعات التي تقترب من سرعة الضوء. يمكن وصف تفاعلات أشباه الجسيمات في الموصل بمساعدة فيزياء نيوتن الكلاسيكية المعروفة أو بمساعدة ميكانيكا الكم "العادية" (أي غير النسبية).

إن الإلكترونات التي تتحرك في الشبكة السداسية لذرات الكربون في الجرافين تتصرف أيضًا كأشباه جسيمات، ولكن من المدهش أن سلوكها يختلف تمامًا عن سلوك الإلكترونات. في الواقع، الشيء الأكثر تشابهًا هو جسيم أولي آخر: النيوترينو عديم الكتلة تقريبًا. وبطبيعة الحال، النيوترينو، كما يوحي اسمه، هو محايد كهربائيا (معنى كلمة النيوترينو باللغة الإيطالية هو "المحايد قليلا")، في حين أن أشباه الجسيمات في الجرافين تحمل نفس الشحنة الكهربائية مثل شحنة الإلكترون. لكن النيوترينو يتحرك بسرعة الضوء تقريبًا، لذا يجب وصفه من حيث النسبية. وبالمثل، فإن شبه الجسيم في الجرافين يتحرك دائمًا بسرعة ثابتة وعالية، وإن كانت أبطأ بحوالي 300 مرة من سرعة الضوء. على الرغم من انخفاض سرعته، إلا أن سلوكه يشبه إلى حد كبير السلوك النسبي للنيوترينو.

إن الطبيعة النسبية لأشباه الجسيمات في الجرافين تجعل ميكانيكا الكم العادية وغير النسبية عديمة الفائدة عندما يتعلق الأمر بوصف كيفية عملها. يجب على الفيزيائيين اختيار إطار أكثر تعقيدًا من ترسانة نظرياتهم: ميكانيكا الكم النسبية، المعروفة الآن باسم الديناميكا الكهربائية الكمية. ولهذه النظرية لغتها الخاصة، وحجر الزاوية في هذه اللغة هو المعادلة الاحتمالية التي سميت باسم الفيزيائي الإنجليزي بول إيه إم ديراك، الذي كتبها لأول مرة في عشرينيات القرن العشرين. ولهذا السبب يصف المنظرون أحيانًا الإلكترونات التي تتحرك في الجرافين بأنها أشباه جسيمات ديراك عديمة الكتلة.

الجسيمات "تخرج من العدم"

لسوء الحظ، فإن تفسير الديناميكا الكهربائية الكمومية يتطلب دائمًا صراعًا قويًا ضد الحدس العادي. من الضروري التعرف على الظواهر التي تبدو متناقضة، على الرغم من الانزعاج الذي تنطوي عليه. تنشأ مفارقات الديناميكا الكهربائية الكمية بسبب حقيقة أن الجسيم النسبي يكون دائمًا مصحوبًا بذاته المتغيرة من العالم المعاكس: الجسيم المضاد. الإلكترون، على سبيل المثال، يرافقه جسيم مضاد يعرف باسم البوزيترون، كتلته هي بالضبط نفس كتلة الإلكترون، ولكن شحنته الكهربائية موجبة. يمكن أن يظهر زوج من الجسيم والجسيم المضاد في ظل الظروف النسبية، لأنه نظرًا لطاقته العالية للغاية وسرعة حركته، فإنه لا يحتاج إلى الكثير من الطاقة لإنشاء زوج من "الجسيمات الافتراضية". قد يبدو الأمر غريبًا، إلا أن الزوجين يخرجان مباشرة من لا شيء - من الفراغ.

سبب حدوث مثل هذا هو نتيجة لإحدى الإصدارات العديدة لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ في ميكانيكا الكم: في صياغة شاملة، كلما تم تحديد وقت الحدث بدقة أكبر، كلما كانت كمية الطاقة المرتبطة بهذا الحدث أقل دقة. . وبالتالي، في فترات زمنية صغيرة جدًا، يمكن أن يكون للطاقة أي قيمة تقريبًا. الطاقة المكافئة للكتلة، وفقًا لمعادلة أينشتاين الشهيرة، E = mc2، وبالتالي فإن الطاقة المكافئة لكتلة الجسيم والجسيم المضاد يمكن أن تظهر من العدم. على سبيل المثال، يمكن للإلكترون الافتراضي والبوزيترون الافتراضي أن يظهرا فجأة ويتواجدا من خلال "استعارة الطاقة" من الفراغ، بشرط أن يكون عمر الجسيمات الافتراضية قصيرًا جدًا بحيث يتم تعويض العجز في الطاقة قبل أن يتم اكتشافه.

إن الحيوية المثيرة للفراغ في الديناميكا الكهربائية الكمومية تولد العديد من التأثيرات الغريبة. مفارقة كلاين هي مثال جيد على ذلك. تصف المفارقة الظروف التي يمكن بموجبها لجسم نسبي أن يمر عبر أي حاجز محتمل، مهما كان ارتفاعه واتساعه. النوع المألوف من الحواجز المحتملة هو التلال البسيطة المحيطة بالوادي. تُراكم الشاحنة التي تغادر الوادي طاقة الوضع أثناء صعودها أعلى التل، على حساب الطاقة المنطلقة من الوقود المحترق في محركها. ومع ذلك، يمكن للشاحنة أن تنزلق من أعلى التل إلى الجانب الآخر مع إيقاف تشغيل المحرك وتوقفه عن العمل. إن طاقة الوضع التي اكتسبتها الشاحنة أثناء صعودها للأعلى تتحول مرة أخرى إلى طاقة حركية أثناء تدحرجها للأسفل.

فحص منطقة الشفق

يمكن للجسيمات أيضًا أن تتحرك بسهولة شديدة من تلقاء نفسها "أسفل المنحدر" من مناطق عالية نسبيًا من الطاقة الكامنة إلى مناطق منخفضة نسبيًا منها. ولكن إذا كانت "سلسلة تل" ذات طاقة عالية محتملة تحيط بجسيم في "وادي" للطاقة، فإن الجسيم لا يقل عالقًا عن شاحنة بدون وقود في وادي حقيقي. هناك تحذير رئيسي واحد لهذا الاستنتاج، والذي تم التعبير عنه في ميكانيكا الكم العادية غير النسبية. وفقا لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، في نسخة أخرى منه، من المستحيل معرفة الموقع الدقيق للجسيم. لذلك يصف الفيزيائيون موضع الجسيم بمصطلحات احتمالية. إحدى النتائج الغريبة هي أنه على الرغم من أن الجسيم منخفض الطاقة يبدو أنه "محاصر" بواسطة حاجز مرتفع، إلا أن هناك بعض الاحتمال أنه بعد مرور بعض الوقت سيتم العثور على الجسيم خارج الحاجز. إذا حدث هذا بالفعل، فإن مرور شبحه عبر حاجز الطاقة يسمى نفق الكم.

في نفق الكم غير النسبي، هناك احتمال محدود بأن يقوم جسيم منخفض الطاقة بالنفق عبر حاجز عالي الإمكانات. يمكن أن يكون لهذا الاحتمال قيم مختلفة، ولكن ليس 100% أبدًا. تتضاءل احتمالية النفق الكمي عندما يصبح الحاجز أعلى وأكثر سمكًا. ومع ذلك، فإن مفارقة كلاين تغير تمامًا طبيعة نفق الكم. وتنص على أن احتمالية نفق الجسيمات النسبية عبر مناطق حاجز عالية الطاقة تمتد على مساحة واسعة هي 100%. وبالقرب من الحاجز، تتصل الجسيمات ببساطة مع توائمها المضادة للجسيمات، التي تواجه العالم في الاتجاه المعاكس، وبالتالي فإن التلال في العالم الحقيقي تبدو كالوديان بالنسبة للجسيمات المضادة. بعد الانزلاق عبر الوادي الغريب للحاجز في العالم المضاد، تتحول الجسيمات المضادة مرة أخرى إلى جزيئات وتخرج دون إزعاج على الجانب الآخر. يبدو أن هذا التنبؤ غير بديهي للغاية حتى بالنسبة للعديد من الفيزيائيين.

مثل هذا التنبؤ الغريب يحتاج إلى اختبار تجريبي، ولكن لم يكن من الواضح منذ فترة طويلة ما إذا كانت مفارقة كلاين يمكن أن تصمد أمام الاختبار، حتى من الناحية النظرية. والآن جاءت أشباه جسيمات ديراك عديمة الكتلة الموجودة في الجرافين إلى الإنقاذ. في الجرافين، يتم تحويل مفارقة كلاين إلى تأثير روتيني مع تأثيرات يمكن التنبؤ بها بسهولة. عندما تتحرك أشباه جسيمات ديراك، عديمة الكتلة وتحمل الشحنة، داخل بلورة الجرافين التي توضع على طولها عوائق مثل الجهد الكهربائي أو فرق الطاقة المحتمل، يستطيع المجربون اختبار التوصيل الكهربائي للمادة. سيمنع حفر الأنفاق المثالي (100%) الزيادة في المقاومة الكهربائية التي يمكن توقعها بسبب الحواجز والحدود الإضافية. يقوم الباحثون الآن بقياس تدفق هذه الجسيمات القادرة على اختراق الحواجز المحتملة على ارتفاعات مختلفة. يتوقع الفيزيائيون أن يساعد الجرافين في إظهار العديد من التأثيرات غير العادية التي تنبأت بها الديناميكا الكهربائية الكمومية.

الحب من البعد الثاني

لا يزال من السابق لأوانه تقييم التطبيقات التكنولوجية للجرافين، ولكن أكثر من عشر سنوات من الأبحاث على أنابيب الكربون النانوية - الجرافين المدلفن - أعطت الجرافين بداية قوية. ومن المرجح أن كل دور مفيد تقريبًا يتوقعه العلماء للأنابيب النانوية مفتوح أيضًا لقريبتها المسطحة. لدى صناعات التكنولوجيا الفائقة مخططات لبعض التطبيقات التجارية، وبعض الشركات تراهن بالفعل على وعودها. وتتطلب تلبية الطلب على مثل هذه التطبيقات إنتاجًا تجاريًا للجرافين، وتعمل العديد من فرق أبحاث التكنولوجيا حاليًا على تطوير تقنيات إنتاج محسنة. على الرغم من أنه من الممكن بالفعل إنتاج مسحوق الجرافين بكميات تجارية، إلا أنه لا يزال من الصعب إنتاج صفائح الجرافين، وربما تعتبر أغلى مادة على هذا الكوكب. يمكن لبلورة الجرافين التي تم إنشاؤها عن طريق الانقسام الميكانيكي الدقيق وأصغر من سمك شعرة الإنسان أن تكلف حاليًا أكثر من 1,000 دولار. قامت مجموعات في أوروبا والعديد من المعاهد في الولايات المتحدة - والتي تشمل، من بين أمور أخرى، معهد جورجيا للتكنولوجيا، وجامعة كاليفورنيا في بيركلي، وجامعة نورث وسترن - بزراعة طبقات من الجرافين على شرائح رقيقة من كربيد السيليكون، مماثلة للشرائح الشائعة في صناعة أشباه الموصلات.

وفي الوقت نفسه، يحاول المهندسون في جميع أنحاء العالم الاستفادة من الخصائص الكهربائية والفيزيائية المرغوبة بشكل لا يصدق، والتي تجعل الجرافين فريدًا من نوعه [انظر الإطار في الصفحة السابقة وعلى اليسار]. على سبيل المثال، قد تكون النسبة الكبيرة لحجمه إلى مساحة سطحه مفيدة لإنتاج المواد المركبة الصلبة. يمكن لدقة الجرافين الشديدة أن تحسن كفاءة بواعث المجال، وهي أجهزة تشبه الإبرة تطلق الإلكترونات في وجود مجالات كهربائية قوية.

يمكن ضبط خصائص الجرافين بعناية من خلال تطبيق المجالات الكهربائية، مما يجعل من الممكن بناء ترانزستورات محسنة فائقة التوصيل، والمعروفة باسم ترانزستورات صمام الدوران، بالإضافة إلى أجهزة الكشف الكيميائية الحساسة بشكل لا يصدق. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطبقات الرقيقة، المنتجة من بقع الجرافين التي تغطي بعضها البعض، لديها إمكانات كبيرة لاستخدامها كطلاءات موصلة وشفافة لشاشات LCD والخلايا الشمسية. القائمة ليست شاملة على الإطلاق، لكننا نتوقع أن تصل بعض التطبيقات المتخصصة إلى السوق في غضون بضع سنوات.

العفو عن قانون مور؟

هناك اتجاه هندسي واحد يستحق إشارة خاصة: الإلكترونيات المعتمدة على الجرافين. لقد أكدنا على أن حاملات الشحنة في الجرافين تتحرك بسرعة عالية وتفقد طاقة قليلة نسبيًا في التشتت أو في الاصطدامات مع الذرات الموجودة في الشبكة. ومن المفترض أن تتيح هذه الميزة بناء مكونات تُعرف باسم الترانزستورات الباليستية، وهي أجهزة ذات ترددات عالية جدًا تستجيب بشكل أسرع بكثير من الترانزستورات الموجودة.

هناك احتمال أكثر إثارة للاهتمام: يمكن للجرافين أن يساعد صناعات الإلكترونيات الدقيقة على إطالة عمر قانون مور. لقد قرر جوردون مور، أحد رواد صناعة الإلكترونيات، منذ حوالي 40 عامًا أن عدد الترانزستورات التي يمكن حشرها في منطقة معينة يتضاعف كل 18 شهرًا تقريبًا. لقد تم الإعلان عن النهاية الحتمية لهذا التقليص المستمر قبل الأوان عدة مرات بالفعل. إن استقرار الجرافين وموصليته الكهربائية، والتي تعتبر ملحوظة حتى على المقاييس النانوية، يمكن أن تمكن من إنتاج ترانزستورات مفردة أقصر بكثير من عشرات النانومترات، وربما حتى صغيرة مثل حلقة بنزين واحدة. من الممكن على المدى الطويل أن نتصور نظامًا كاملاً من الدوائر المتكاملة المنحوتة من ورقة واحدة من الجرافين.

وأيًا كان ما يحمله المستقبل، فليس هناك شك تقريبًا في أن أرض العجائب التي يبلغ سمكها ذرة واحدة ستظل في دائرة الضوء لعقود قادمة. سيستمر المهندسون في العمل لجلب المنتجات الثانوية المبتكرة لهذه الأرض العجائب إلى السوق، وسيستمر الفيزيائيون في اختبار خصائصها الكمومية الغريبة. لكن الشيء المذهل حقًا هو أن كل هذا الثراء والتعقيد ظل مخفيًا لعدة قرون في كل علامة بسيطة رسمها قلم الرصاص تقريبًا.

________________________________________________________
المفاهيم الرئيسية

الجرافين عبارة عن ورقة من الكربون يبلغ سمكها ذرة واحدة. كومة من هذه الأوراق تخلق الجرافيت، مادة الحشو لأقلام الرصاص. في الآونة الأخيرة فقط تمكن الفيزيائيون من عزل المادة.

تقوم البلورة النقية الخالية من العيوب بتوصيل الكهرباء بشكل أسرع من أي مادة أخرى في درجة حرارة الغرفة.

وفي رؤية المهندسين هناك مجموعة واسعة من المنتجات المصنوعة من الجرافين، مثل الترانزستورات فائقة السرعة. ويجد الفيزيائيون أن المادة تسمح لهم بتنظير الظواهر الغريبة التي كان يُعتقد سابقًا أنها يمكن ملاحظتها فقط في الثقوب السوداء ومسرعات الجسيمات عالية الطاقة.

الهياكل الجزيئية

رب عائلة الجرافيت

الجرافين، وهو عبارة عن مستوى من ذرات الكربون يشبه شبكة من أقفاص الدجاج، هو لبنة البناء الأساسية لجميع المواد "الجرافيتية" الموضحة أدناه. الجرافيت، المكون الرئيسي لحشوة قلم الرصاص، هو مادة متفتتة تشبه كعكة ذات طبقات مصنوعة من صفائح الجرافين المتصلة ببعضها البعض في رابطة ضعيفة. عندما يطوي الجرافين إلى أشكال مستديرة، تتشكل الفوليرينات، والتي تشمل أسطوانات تسمى أنابيب الكربون النانوية وجزيئات تشبه كرة القدم تُعرف باسم كرات بوكي، بالإضافة إلى مجموعة من الأشكال التي تجمع بين البنيتين.

عن المؤلفين

أندريه ك. جيم وفيليب كيم هما فيزيائيان في فيزياء المادة المكثفة، وقد قاما في السنوات الأخيرة بدراسة الخصائص النانوية للمواد البلورية "ثنائية الأبعاد" التي يبلغ سمكها ذرة واحدة. جيم هو عضو في الجمعية الملكية البريطانية ويشغل كرسي لانجوورثي في ​​الفيزياء بجامعة مانشستر في إنجلترا. كما أنه يدير مركز علوم الميزوسكوبيك وتكنولوجيا النانو. حصل جيم على درجة الدكتوراه من معهد فيزياء الحالة الصلبة في تشيرنوجولوفكا، روسيا. كيم عضو في الجمعية الفيزيائية الأمريكية وأستاذ مشارك في الفيزياء بجامعة كولومبيا. حصل على الدكتوراه من جامعة هارفارد. تركز أبحاثه على عمليات الانتقال الكمي والكهربائي والحراري في المواد على نطاق النانو.

الديناميكا الكهربائية الكمومية تدخل المختبر

تتحرك الإلكترونات بشكل أساسي دون أي إزعاج عبر البنية الذرية المعقدة للجرافين، وتصل إلى سرعات عالية بحيث لا يمكن وصف سلوكها بواسطة ميكانيكا الكم "العادية". تُعرف النظرية البديلة المستخدمة باسم ميكانيكا الكم النسبية أو الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED). حتى الآن، كان يُعتقد أن التنبؤات المميزة (والغريبة) لهذه النظرية لا يمكن ملاحظتها إلا في الثقوب السوداء أو مسرعات الجسيمات عالية الطاقة، ولكن بمساعدة الجرافين، يمكن للفيزيائيين اختبار أحد أغرب تنبؤات QED في الكون. المختبر: "نفق الكم المثالي".

في الفيزياء الكلاسيكية أو النيوتونية، يتصرف الإلكترون منخفض الطاقة مثل الجسيم العادي. وإذا لم يكن لديها ما يكفي من الطاقة لحملها فوق الحاجز المحتمل، فمن الواضح أنها ستبقى محاصرة على أحد جانبي الحاجز، تماماً كما ستبقى الشاحنة بدون وقود مهجورة على أحد جانبي التل.

في صورة ميكانيكا الكم المعتادة، يتصرف الإلكترون في سياقات معينة مثل موجة تنتشر في الفضاء. وبصيغة مبسطة، تمثل الموجة احتمال وجود الإلكترون عند نقطة معينة في المكان والزمان. عندما تقترب هذه الموجة "البطيئة" من حاجز محتمل، فإنها تخترق الحاجز، وهناك احتمال معين، وهو ليس 0% ولا 100%، أن يكون الإلكترون على الجانب الآخر من الحاجز. ومن الناحية العملية، يمر الإلكترون عبر الحاجز عبر النفق.

عندما تصل موجة إلكترونية عالية السرعة في الجرافين إلى حاجز محتمل، فإن نظرية QED تقدم تنبؤًا أكثر إثارة للدهشة: احتمال العثور على موجة الإلكترون على الجانب الآخر من الحاجز هو 100٪. يبدو أن ملاحظة أن الجرافين يوصل الكهرباء بشكل جيد تؤكد هذا التوقع.

DIY: الجرافين

1. العمل في بيئة نظيفة. الشعر الشارد والأوساخ تعيث فسادًا في عينات الجرافين.

2. قم بإعداد لوحة أكسيد السيليكون (الكوارتز)، والتي ستساعدك على رؤية طبقات الجرافين من خلال المجهر. قم بتنعيم سطح السطح بحيث يلتصق به الجرافين ثم قم بتنظيفه جيدًا باستخدام خليط من حمض الهيدروكلوريك (HCl) وبيروكسيد الهيدروجين.

3. قم بربط شريحة من الجرافيت بشريط بلاستيكي لاصق طوله حوالي 15 سم باستخدام الملقط. قم بطي الشريط بالقرب من الرقاقة بزاوية 45 درجة بحيث يكون محصورًا بين الجوانب اللاصقة. اضغط عليه بلطف، وافصل جانبي الشريط ببطء، وسترى الجرافيت ينقسم بسهولة إلى قسمين.

4. كرر الخطوة الثالثة حوالي عشر مرات. سيصبح هذا الإجراء أكثر صعوبة كلما قمت بعمل المزيد من الطيات.

5. ضع بعناية على لوح الكوارتز عينة الجرافيت المنقسمة التي ظلت ملتصقة بالفيلم. باستخدام ملقط بلاستيكي، قم بإزالة كل الهواء الموجود بين العينة والفيلم بالضغط بلطف. حرك الملقط بخفة ولكن بثبات فوق العينة لمدة عشر دقائق تقريبًا. أمسك الشريحة على السطح بالملقط بينما تقشر الفيلم ببطء. في هذه الخطوة، هناك حاجة إلى 30 إلى 60 ثانية لتقليل تمزق الجرافين الذي قمت بإنشائه قدر الإمكان.

6. ضع الجرافين تحت المجهر الذي قمت بتركيب عدسات ذات فتحة مكبرة عليه 50x أو 100x، سترى العديد من بقايا الجرافيت: قطع كبيرة ولامعة بجميع أنواع الأشكال والألوان (الصورة العلوية)، وإذا كنت محظوظًا، سوف نرى أيضًا الجرافين: أشكال بلورية وشفافة للغاية مع لون قليل بالنسبة لبقية الشريحة. يتم تكبير العينة العليا 115 مرة؛ يتم تكبير العينة السفلية 200 مرة.

التطبيقات

التكنولوجيا القائمة على الجرافين

لم يكن الجرافين في أيدي المهندسين لفترة كافية لتطوير المنتجات التي تستخدمه، ولكن قائمة التقنيات المستقبلية المعتمدة على الجرافين طويلة. فيما يلي مثالان:

ترانزستور إلكترون واحد

يمكن تصميم ترانزستور إلكترون واحد، يُعرف أيضًا باسم ترانزستور النقطة الكمومية، من مستوى الجرافين على مقياس نانومتر. يُظهر الرسم التخطيطي كيف يتم توصيل قطبين كهربائيين، "المصدر" و"الحوض"، بواسطة "جزيرة" من مادة موصلة أو نقطة كمومية يبلغ طولها 100 نانومتر فقط. الجزيرة - التي تظهر في صورة المجهر الإلكتروني لمثل هذا الجهاز وتم تكبيرها هنا 40,000 ألف مرة - صغيرة جدًا بحيث لا تحتوي على أكثر من إلكترون جديد واحد في المرة الواحدة. يتم استبعاد بقية الإلكترونات بسبب التنافر الكهروستاتيكي. ينتقل إلكترون من المصدر إلى الجزيرة عبر النفق الكمي، ثم يغادر إلى الحوض عبر النفق. يتحقق الجهد المطبق على قطب كهربائي ثالث يسمى البوابة مما إذا كان بإمكان إلكترون واحد الدخول إلى الجزيرة أو الخروج منها، ويشير إلى 0 أو 1.

المواد المركبة

في كثير من الأحيان يمكن الجمع بين مادتين أو أكثر من المواد التكميلية لتحقيق الخصائص المطلوبة لكليهما. ومن الشائع استخدام هيكل مصنوع من مادة تقوي مادة أخرى: انظر، على سبيل المثال، جسم قارب من الألياف الزجاجية مصنوع من البلاستيك مع ألياف زجاجية قوية تمر من خلاله. يقوم الباحثون بفحص الخصائص الفيزيائية للمواد المركبة المصنوعة من البوليمرات المعززة بمواد أساسها الجرافين مثل أكسيد الجرافين، وهي مادة أكثر صلابة وأقوى من الجرافين. على عكس الجرافين، من السهل نسبيًا صنع "ورق" أكسيد الجرافين، وقد يجد قريبًا تطبيقاته المفيدة في المركبات متعددة الطبقات. المقياس هو ميكرون واحد.

والمزيد حول هذا الموضوع

تتصرف الإلكترونات الموجودة في صفائح الكربون الرقيقة ذريًا مثل الجسيمات عديمة الكتلة. مارك ويلسون في الفيزياء اليوم، المجلد. 59، الصفحات 21-23؛ يناير 2006.

استخلاص النتائج من الجرافين. أنطونيو كاسترو نيتو، فرانسيسكو غينيا ونونو ميغيل بيريز في عالم الفيزياء، المجلد. 19، الصفحات 33-37؛ نوفمبر 2006.

الجرافين: استكشاف الأراضي الكربونية المسطحة. AK Geim و AH ماكدونالد في الفيزياء اليوم، المجلد. 60، الصفحات 35-41؛ أغسطس 2007.

صعود الجرافين. AK Geim و KS Novoselov في Nature Materi als، Vol. 6، الصفحات 183-191؛ 2007.

فريق أندريه ك. جيم للفيزياء المجهرية في جامعة مانشستر

مجموعة أبحاث فيليب كيم في جامعة كولومبيا