اضطراب الشخصية البلورية

سطح بلورة تيتانات السترونتيوم ينتج الكهرباء عند تسخينه. ويمكن أيضًا اكتشاف هذه الخاصية المدهشة في مواد أخرى واستخدامها لإنشاء تطبيقات إلكترونية جديدة

تم اكتشاف أن البلورات اللامعة، التي كانت تستخدم في السابق لتزييف الألماس، تعاني من انقسام في الشخصية. اكتشف علماء معهد وايزمان للعلوم أن سطح بلورة تيتانات السترونتيوم يختلف عن الجزء الداخلي للبلورة بطريقة جوهرية لم تكن معروفة حتى الآن. "تم اكتشاف أن سطح البلورة يتصرف كمادة منفصلة"، كتب عن هذا الاكتشاف في قسم الأخبار والآراء في مجلة الطبيعة العلمية.

تُستخدم بلورات تيتانات السترونتيوم حاليًا بشكل أساسي كركيزة لزراعة مجموعة متنوعة من المواد الإلكترونية المتقدمة. ومن المعروف أن هذه البلورات غير قطبية، لكن علماء المعهد اكتشفوا أن هناك طبقة رقيقة جدا على سطحها هي كهربية حرارية - أي أنها تنتج الكهرباء عند تسخينها - وهذا يعني أن هذه الطبقة قطبية. وبما أن القطبية تؤثر على خصائص المادة، فيجب التعرف على "الشخصية المنقسمة" للبلورة عند صنع الأجهزة التي تحتوي على تيتانات السترونتيوم. علاوة على ذلك، فإن هذا الاكتشاف له معنى أوسع: يمكن العثور على القطبية أيضًا على سطح بلورات غير عضوية أخرى.

يقول رئيس مجموعة البحث البروفيسور إيجور لوبوميرسكي من قسم المواد والأسطح: "إن قطبية السطح في مادة غير عضوية هي مفهوم جديد". "لم يبحث أحد عنها حتى الآن لأنه من الواضح أنها غير بديهية."
قبل بضع سنوات، أظهر البروفيسور لوبوميرسكي وزميله في القسم البروفيسور مئير لاهاف أن القطبية المعتمدة على الاحترار يمكن أن تتشكل على سطح البلورات العضوية غير القطبية، مثل بعض الأحماض الأمينية. لكن البلورات غير العضوية تتميز بتماثل أكثر صلابة من البلورات العضوية، لذا يبدو أن فرص العثور على قطبية فيها - وهو ما يتطلب كسر التماثل، مثلا، من خلال تشوهات في بنية المادة - ليست عالية. ومع ذلك، افترض البروفيسور لوبوميرسكي والبروفيسور لاهاف أنه حتى في البلورات غير العضوية، يتم كسر التماثل - ليس في داخل البلورة بالطبع، ولكن على السطح - لذلك ربما، رغم كل الصعاب، توجد قطبية أيضًا في البلورات غير القطبية. بلورات غير عضوية.

ومن أجل اختبار هذه الفرضية، كان على العلماء أن يوضحوا أنه عندما يكتشفون القطبية في بلورة غير عضوية، فإن أصلها يقع بالفعل على سطح البلورة، وليس في داخل البلورة - وهي مهمة تمثل مهمة ضخمة. التحدي التكنولوجي. استخدمت الدكتورة إيلينا ميرزادا، وهي طالبة بحث آنذاك، وأعضاء آخرون في المجموعة لهذا الغرض أداة فريدة تم تطويرها في مختبر البروفيسور لوبوميرسكي، والتي تتيح قياس التيارات الكهربائية الضعيفة جدًا في أطر زمنية تبلغ عدة ميكروثانية (أجزاء من المليون من الثانية). . قام العلماء بتسخين سطح بلورات تيتانات السترونتيوم باستخدام شعاع ليزر ذو شدة متفاوتة بسرعة وقاسوا التيار الكهربائي الناتج. وكما ورد مؤخرًا في المجلة العلمية Advanced Materials، اكتشفوا أن التيار يتشكل، لكنه يتلاشى بسرعة - وهي حقيقة تشير إلى أن التيار يظهر فقط في الطبقة العليا التي تتكون من ذرات فردية، حوالي 1 نانومتر (جزء من المليار من المتر). ) سميك.

النظام التجريبي الذي مكن من اكتشاف الكهرباء الحرارية على سطح بلورات تيتانات السترونتيوم

ولاستبعاد احتمالية نشوء التيار داخل البلورة، أجرى العلماء تجارب إضافية. ومن بين أمور أخرى، قاموا بتغليف البلورات بطبقة رقيقة جدًا من السيليكا ووجدوا أن الكهرباء الحرارية اختفت، وهو اكتشاف يدعم أنها ظاهرة سطحية فقط.

أجرى البروفيسور لوبوميرسكي وزملاؤه تحليلًا نظريًا للنتائج وخلصوا إلى أن الكهرباء الحرارية نشأت نتيجة لتشوه شائع يسمى "استرخاء السطح". وبما أن هذا الاسترخاء موجود في العديد من البلورات، يعتقد العلماء أنه يمكن اكتشاف الطاقة الحرارية السطحية في العديد من المواد المختلفة. ويقترحون الاستفادة من هذه الظاهرة لتصميم أجهزة ذات طبقات عديدة، مما سيجعل من الممكن استخدام الأقطاب المختلفة للطبقات لإنشاء الخصائص المرغوبة للتطبيقات الجديدة في صناعات الإلكترونيات وتكنولوجيا النانو والطاقة.

علاوة على ذلك، من الممكن أن يحمل هذا الاكتشاف المزيد من المفاجآت: في مقال رأي في مجلة Nature الذي حلل البحث، تم الافتراض أنه على الرغم من أن تيتانات السترونتيوم هي مادة عازلة، فمن الممكن أن يكون سطحها في الواقع معدن قطبي. مادة غريبة من المتوقع أن يكون لها خصائص إلكترونية خاصة. تبحث العديد من المجموعات البحثية عن معادن قطبية، لكن وفقًا للمجلة، من المحتمل أنها "كانت تحت أنوفنا طوال الوقت، ومن المفارقة أنها وجدت على سطح العوازل غير القطبية".

وشارك في الدراسة إيفجيني ماكجون والدكتور ديفيد أهارا من قسم المواد والأسطح بالمعهد؛ حجاي كوهين ود. إيريت جولديان من قسم البنى التحتية للبحوث الكيميائية في المعهد؛ د. دينيس كريستنسن، د. أرجيا بوميك، د. خوان ماريا لاسترا والبروفيسور نيني فريدس من الجامعة التقنية في الدنمارك؛ البروفيسور آري موراليس من جامعة ستون هول؛ والبروفيسور أندرو راب من جامعة بنسلفانيا.

قام علماء المعهد بقياس تيار كهربائي يبلغ حوالي 12-10 أو 0.000000000001 أمبير، أي أقل بعشرة مليارات مرة مما تنتجه بطارية AA القياسية.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• أول اكتشاف على الإطلاق لعنصر ثقيل نتج عن اصطدام النجوم النيوترونية
• ماذا تعني البلورة؟
• بطارية نووية تعتمد على الماء