التقيت ببن ماعوز لأسأله عما يفعلونه هناك في الجامعة.
بن هو طالب دكتوراه في الكيمياء الفيزيائية في مجموعة البروفيسور جيل ماركويتز من جامعة تل أبيب. وهو متزوج من ياسمين التي تعمل على أبحاث في الفيزياء ضمن مرحلة ما بعد الدكتوراه في معهد وايزمان، وهما معًا والدا لطفل. في عطلات نهاية الأسبوع، يشارك بن عادة في مجموعة ركوب الدراجات الترابية التي بدأت كهواية صغيرة ومع مرور الوقت أصبحت هواية كبيرة وممتعة.
بن، إذن ماذا تفعل هناك؟
يتعامل مختبرنا مع مجموعة متنوعة من المواضيع المتعلقة بالمواد الخاصة وتكنولوجيا النانو، ولكن أود أن أخبركم بشكل أساسي عن مشروع خاص جدًا كنا نعمل عليه. الهدف من المشروع هو تطوير طريقة جديدة لإنتاج مواد ذات معامل انكسار سلبي، وذلك باستخدام البلازمونات وخاصية عدم التناظر (لا تقلق، سنشرحها قريبًا).
ما هو معامل الانكسار ولماذا كل هذه السلبية؟
عندما يمر الضوء بين وسط ما، مثلا بين الهواء والزجاج، ينعكس بعضه وينكسر البعض الآخر. وتعتمد زاوية الانكسار على خاصية في المادتين تسمى "معامل الانكسار" وهي النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعة الضوء في المادة. زوايا الانكسار المحتملة محدودة لأن معاملات الانكسار تكون دائمًا موجبة (انظر الشكل 1).
قبل بضع سنوات، أظهر العلماء نظريًا ثم تجريبيًا أيضًا أنه بمساعدة المواد ذات معامل الانكسار السلبي، من الممكن تطوير جهاز يخفي الأشياء عن العين (على سبيل المثال، عباءة الفتاة). لقد حققوا معامل الانكسار السلبي باستخدام مواد خارقة وهي هياكل من صنع الإنسان تتكون من وحدات صغيرة وخاصة. الطريقة الأكثر شيوعًا للحصول على معامل انكسار سلبي هي إنشاء هيكل من وحدات دوائر كهربائية صغيرة (نصف الطول الموجي) مثل الهوائي. يسمح الهيكل الخاص للمواد الخارقة بالتأثير على الضوء بطرق لا تستطيع أي مادة طبيعية القيام بها. المشاكل الرئيسية في هذا الاتجاه هي المشاكل الهندسية التي تجعل من الصعب جدًا إنشاء المواد المناسبة.
هناك، في رأينا، طريقة أبسط لإنشاء مواد ذات معامل انكسار سلبي باستخدام المعادن ذات الخصائص اللولبية.
ما هو شراليتي؟
كلمة chirality تأتي من الكلمة اليونانية التي تعني الأيدي. سنلاحظ أنه على الرغم من أن أيدينا متشابهة، إلا أنها في الواقع صورة طبق الأصل لبعضها البعض. وأنا متأكد من أن أي شخص حاول وضع قفاز اليد اليمنى على اليد اليسرى أو العكس قد لاحظ ذلك. تخيل أنك تقابل صديقًا وتمد يدك اليمنى لمصافحته. إذا ارتبك الصديق وأرسل لك يده اليسرى فسوف تجد صعوبة كبيرة في الضغط مما قد يؤدي إلى لحظة من الإحراج.
في الطبيعة، هناك جزيئات يمكن أن يكون لها تكوين أيمن وأيسر على حد سواء (انظر الشكل 2). نظرًا لأن العديد من الجزيئات لها تأثير في جسمنا، وقد يكون تأثير اليد اليمنى واليد اليسرى مختلفًا، فإن مسألة عدم الانطباق مهمة جدًا بالنسبة لنا. على سبيل المثال، جزيء معين في التركيبة اليمنى هو السكر وفي التركيبة اليسرى هو مُحلي صناعي. وفي مجال الطب جزيء يستخدم في اتجاه لعلاج السعال وفي الاتجاه الآخر لتخفيف الألم.
كملاحظة جانبية، أحد أكبر الألغاز في العلم اليوم هو لماذا يتم إنشاء جميع السكريات والبروتينات الموجودة في جسم أي كائن حي بنفس اللاتماثلية، مما يعني أنها إما كلها أيمنية أو كلها أعسر.
خاصية أخرى لللامركزية هي تأثيرها على الضوء المستقطب. الاستقطاب هو اتجاه تقلبات المجال الكهربائي بالنسبة لاتجاه موجة الضوء، وبالتالي فإن الضوء المستقطب هو موجة كهرومغناطيسية ذات استقطاب محدد (على عكس ضوء الشمس مثلا الذي يتكون من مجموعة من الموجات ذات استقطابات مختلفة) . عندما يمر الضوء المستقطب عبر محلول من الجزيئات اللامركزية، فإن زاوية الاستقطاب ستتغير وفقًا لاتجاه اللامركزية، إذا كان يستخدم اليد اليمنى ففي اتجاه واحد وإذا كان يستخدم اليد اليسرى ففي الاتجاه المعاكس.
إذًا كيف يرتبط كل هذا بمشروعك؟
قبل بضع سنوات، أظهر الفيزيائي جون بندري أنه من الممكن الجمع بين الخاصية اللامركزية مع مادة معدنية والحصول على معامل انكسار سلبي. على سبيل المثال، يمكن لف ملف معدني إما إلى اليمين أو إلى اليسار، أي "في اتجاه عقارب الساعة" أو "عكس اتجاه عقارب الساعة". ولكن قبل أن أبدأ في مشروعي، أريد إضافة عنصر آخر.
ما رأيك في لون سبيكة الذهب؟
ذهب؟
مسار. الآن، ما هو لون قطعة صغيرة جدًا من الذهب، دعنا نقول بضعة نانومترات (نانومتر = 10-9 أمتار)؟
لدي شعور بأن هذا سؤال صعب.
كلامك صحيح فلونه ليس ذهبي بل أحمر.
الذهب الأحمر؟ لماذا؟
لأنه في المعادن توجد ظاهرة التقلبات في كثافة الإلكترونات على السطح (البلازمونات). يتم تحديد تردد التذبذبات حسب نوع المعدن وحجمه. التذبذبات عبر قطعة صغيرة من الذهب تكون على تردد الضوء الأحمر. عندما يسقط الضوء الأبيض على قطعة الذهب، يتضخم الضوء الأحمر وينعكس، فتظهر القطعة باللون الأحمر. تحدث هذه الظاهرة في جميع المعادن، ولكن في الذهب والفضة فقط ينعكس الضوء في النطاق المرئي.
يعمل التأثير أيضًا بطريقة مماثلة في الاتجاه المعاكس. إذا سلطنا ضوءًا أحمر بطول موجي 600 نانومتر على لوح به فتحة قطرها 100 نانومتر، فلن يمر الضوء إلى الجانب الآخر من اللوحة، لأن الثقب صغير جدًا. أما إذا كانت اللوحة مصنوعة من الذهب فإن جزءاً كبيراً من شدة الضوء سوف يمر إلى الجانب الآخر وكأن الضوء قد مر عبر الثقب. ولا يمر الضوء فعليًا عبر الثقب، ولكنه يتفاعل مع الذهب ويتم تسليطه على الجانب الآخر. وهذه الحالة تشبه حالة الانعكاس من جسيم ذهبي صغير، ولكن هذه المرة يتم تحديد الطول الموجي المار عبر الثقب حسب حجم الثقب.
في مركز تكنولوجيا النانو في جامعة تل أبيب، وبمساعدة طرق الحفر الدقيقة، أنتج العملاء من مجال تكنولوجيا النانو صفيحة ذهبية بها مجموعة من حوالي مليون ثقب (انظر الصورة 3). أي أن لدينا مادة معدنية سهلة الصنع لا يحجبها الضوء الأحمر وتتفاعل مع بلازمونات الذهب.
وماذا عن الكيرالية؟
للحصول على اللامركزية، يجب كسر التماثل في الهيكل فيما يتعلق باليسار واليمين. بدلاً من تخطيط هيكل معقد، الحل الذي نقدمه هو أبسط بكثير - التدوير. تخيل أنك تحمل اللوحة الذهبية المثقبة. ادفع اليد اليمنى للخلف واليد اليسرى للأمام. الآن أدر اللوحة مثل عجلة قيادة السيارة. يؤدي هذا الدوران إلى كسر تماثل الهيكل بالنسبة للضوء الساقط. إن الدوران في اتجاه واحد سيعطي اليد اليمنى وفي الاتجاه الآخر اليد اليسرى (انظر الشكل 4).
لقد اختبرنا في التجارب أن الضوء الذي يبلغ طوله الموجي 600 نانومتر ينتقل بالفعل إلى الجانب الآخر من المصفوفة من خلال فتحات يبلغ قطرها 100 نانومتر. ورأينا أيضًا أنه عندما نقوم بتدوير المصفوفة (كما في الشكل 4) نحصل على عدم تناسق كبير بين الضوء المستقطب الأيمن والأيسر، وهو مؤشر على أن فكرتنا تعمل كما هو متوقع. بهذه الطريقة حصلنا على هيكل حلزوني - ببساطة عن طريق تدويره.
وماذا عن معامل الانكسار؟
يُذكر أن شروط الحصول على معامل انكسار سلبي هي تفاعل موجة ضوئية مع بنية حلزونية معدنية يبلغ حجمها نصف طول الموجة على الأقل. لا تزال اللامركزية التي حصلنا عليها في الهياكل الحالية غير قوية بما يكفي للحصول على معامل انكسار سلبي، ربما لأنها "خشنة" للغاية. ويتمثل التحدي الآن في تحسين الهياكل والنجاح في قياس معامل الانكسار بشكل مباشر.
--------------------
يسعدني أن ألتقي وأتحدث مع أي طالب بحث (ربما أنت؟) يرغب في المشاركة ويخبرني قليلاً عما يفعله (وكل ذلك مقابل محادثة ليست طويلة جدًا). يمكنك الاتصال بي من خلال نموذج الاتصال.
حان الوقت لتخبر الجميع بما تفعله، ربما سيفهمون هذه المرة أيضًا 🙂
