كيف يمكنك زراعة بلورات ذات أبعاد وأشكال موحدة - وكيف يمكنك الجمع بين الخصائص اللولبية فيها؟
ماذا سيفعل المهندس المعماري إذا تم تكليفه بتصميم هيكل يشبه الكولوسيوم - مليء بالأقواس والأقبية والنقوش - مع الحفاظ على المتطلبات التالية: استخدام نوع واحد فقط من الطوب ووضعه فوق بعضها البعض بدقة، في ترتيب متماثل، دون أي انحرافات؟ ومن المؤكد أنه سيقول إن هذه مهمة مستحيلة، لأن هذه المتطلبات ستسمح، على الأكثر، ببناء برج متواصل متعدد الطوابق مقسم إلى مساحة واحدة فقط لكامل ارتفاعه. لدى الطبيعة قواعد مماثلة لإنشاء بلورات مفردة - وهي من بين الهياكل الأكثر ترتيبًا في عالمنا، حيث يتم تكديس "الطوب" (الذرات أو الجزيئات) فوق بعضها البعض بطريقة متماثلة، مما يخلق بنية مستمرة، مع حواف حادة ولا يوجد بها انقسامات داخلية.
إن قواعد إنشاء بلورات جزيئية مفردة صارمة بالفعل، لذلك من الصعب تخيل إمكانية الانحراف عنها. ومع ذلك، تمكن علماء معهد وايزمان للعلوم من إنشاء هياكل متناقضة: بلورات مفردة متواصلة ذات شكل معقد غير متماثل، وتقسيم داخلي إلى مساحات وخطوط مستديرة. إن مسألة البنية البلورية ليست بالطبع مسألة جمالية فحسب - ففي هندسة البلورات كما في الهندسة المعمارية، يكون للبنية أهمية حاسمة في تحديد خصائص المادة. ولذلك، فإن النتائج التي توصل إليها الباحثون والتي نُشرت مؤخرًا في المجلة العلمية Nature Communications تكشف في الواقع عن نوع جديد من المواد المعدنية العضوية التي تتمتع بخصائص فريدة.
يسار يمين يسار
في مجال هندسة البلورات، لا تزال العديد من الأسئلة مفتوحة، بما في ذلك كيف يمكن زراعة بلورات ذات أبعاد وشكل موحد - وكيف يمكن دمج الخصائص اللولبية فيها وحتى التحكم في هذه الخصائص؟ الجزيئات اللولبية هي جزيئات متطابقة في تركيبها، وهي صورة مرآة لبعضها البعض. كما هو الحال مع راحة اليد، من المعتاد أيضًا في الجزيئات اللامركزية التحدث عن اللامركزية "اليسرى" و"اليمنى"، ومن الطبيعي أنه من المستحيل وضعها واحدة فوق الأخرى في محاذاة كاملة. يمكن للجزيئات الحلزونية أن تشكل هياكل حلزونية يتم تحديد اتجاه دورانها - في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة - وفقًا لما إذا كانت "أعسر" أو "يمنى". توجد اللامركزية في الطبيعة على كل نطاق، بدءًا من ملف الحمض النووي المجهري، مرورًا بالبنية المجهرية مثل قوقعة الحلزون، وانتهاءً بالمجرات.
في السنوات الأخيرة، قامت باحثة ما بعد الدكتوراه الإيطالية، الدكتورة ماريا كيارا دي جريجوريو، وكبير العلماء في هيئة التدريس الدكتور ميشال لاهاف والبروفيسور ميلكو فان دير باوم من قسم الكيمياء العضوية، بتطوير طريقة لإنشاء بلورات مفردة ذات تركيبة معقدة للغاية. مظهر. ليس فقط أن البلورات التي صنعوها لها شكل "اليويو"، فكل نصف لها اتجاه مختلف للدوران، ولكن أيضًا كل نصف يشبه نوعًا من "الزهرة" اللولبية مع العديد من "البتلات". لفهم كيفية إنشاء مثل هذا الهيكل من جزيئات متناظرة ومتناظرة، استخدم العلماء طرقًا مختلفة لفحص البلورات على ثلاثة مستويات: المستوى المورفولوجي (الخارجي)، والمستوى الجزيئي والمستوى المتوسط - توزيع كثافة الإلكترون.
أولاً، بمساعدة المجهر الإلكتروني الماسح، تمكنوا من تحديد أربع مراحل للتبلور على المستوى المورفولوجي: التفاعل الكيميائي بين الجزيئات العضوية وبين ذرات المعدن في محلول عند درجة حرارة معينة ينتج عنه أولاً هياكل أسطوانية تفتقر إلى الشكل اللولبي. ; هذه هي "البراعم" التي ستصبح في الخطوات التالية كائنات حلزونية. وفي وقت لاحق، تتطور اللفائف إلى شكلين سداسيين منحنيين، تظهر بعدهما بتلات مرتبة بشكل غير متماثل على السطح في هيكل يشبه الزهرة. في المرحلة الأخيرة، تتطور البلورات إلى هيكل ذو شكل محدد جيدًا يشبه اليويو.
ولم يتوقف العلماء عند المستوى الخارجي. لقد أدركوا أن فحص البنية بمساعدة التصوير المقطعي المحوسب - وهي طريقة غير تقليدية في التحليل ثلاثي الأبعاد للبلورات المعدنية العضوية - قد يكشف عن تفاصيل مخفية على المستوى المتوسط، والذي يتضمن توزيع كثافة الإلكترون. في الواقع، كشفت هذه القياسات عن شكل حلزوني واحد ومستمر، يمتد على كامل الهيكل، من القاعدة إلى القاعدة، مما يدعم فكرة أنه عبارة عن بلورة مفردة حلزونية. وتمت دراسة هذه النتائج أيضًا على المستوى الجزيئي باستخدام تشتت الأشعة السينية؛ وأظهرت هذه القياسات، التي أجرتها الدكتورة ليندا شمعون من قسم البنى التحتية للأبحاث الكيميائية، أن بنية اليويو هي في الواقع بنية أحادية البلورة. وكشفت هذه القياسات أيضًا عن قنوات حلزونية موضوعة على شكل خطوات حلزونية على طول الهيكل بأكمله، من الأعلى إلى الأسفل.
يقول البروفيسور فان دير باوم: "إن هذه نتائج مثيرة - فقد تمكنا من إنشاء نوع فريد تمامًا من المباني". "ككيميائيين، يمنحنا هذا رؤى عميقة حول تكوين البلورات، وكيف يمكننا إنشاء مواد رائعة بخصائص جديدة." ويأمل العلماء أن يجد النوع الجديد من البلورات استخدامًا مستقبليًا في تطبيقات مثل تخزين الطاقة الخضراء، أو امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي أو زيادة معدل وانتقائية التفاعلات الكيميائية في الصناعة.
كما شارك في الدراسة الدكتور فلاد برومفيلد والدكتور لوثر هوبن من قسم البنى التحتية للبحوث الكيميائية.
من بين 1,000,000 بلورة جزيئية موجودة، هناك 7 بلورات فقط تنتمي إلى نفس مجموعة التناظر المكاني لبلورات اليويو.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
