نانو الماس إلى الأبد

البروفيسور ألون هوفمان من كلية الكيمياء شوليش يروي كيف استفاد من ظواهر غير متوقعة في طريقه لاكتشاف آلية تكوين الماس النانوي

بواسطة نعوم بيركوفيتش

منذ حوالي ستين عامًا، أصدر الباحثون إعلانًا، والذي بدا في ذلك الوقت لا أساس له على الإطلاق، أنهم نجحوا في تنمية بلورات صغيرة من الألماس تحت ظروف الضغط تحت الجوي ودرجة حرارة تصل إلى عدة مئات من الدرجات عن طريق ترسيب ذرات الكربون من الطور الغازي على السطح. . وكانت الطريقة المقبولة في ذلك الوقت لإنتاج الماس الاصطناعي أحادي البلورية تتطلب ضغوطاً هائلة تصل إلى حوالي 70,000 كجم/سمXNUMX.² ودرجة حرارة تزيد عن 2300 درجة كلفن، وبسبب ذلك تم استقبال هذا الاكتشاف باللامبالاة المخصصة للاكتشافات المستحيلة، وكاد أن يُنسى تمامًا.

ومرت أكثر من عشرين عامًا حتى تمكن العلماء اليابانيون من تكرار التجربة وإزالة الشك حول جدوى هذه الطريقة. ومنذ ذلك الحين، تم تخصيص العديد من الدراسات لتوضيح عمليات تكوين ونمو طبقات الألماس متعدد البلورات تحت ظروف درجات الحرارة والضغط المنخفض نسبيًا على المواد المختلفة. بعض الاكتشافات الميدانية - بما في ذلك اكتشاف الآلية التي تتشكل بها نوى الألماس من الانهيار الكهربائي - تمت في مختبر البروفيسور ألون هوفمان من كلية الكيمياء.

مادة السيراميك للمستقبل

جاء البروفيسور هوفمان لزراعة الماس من مجال الأبحاث السطحية والطبقات الرقيقة في الحالة الصلبة. يتم تعريف الطبقة الرقيقة على أنها مادة صلبة يبلغ سمكها عدة عشرات إلى عدة آلاف من الطبقات الذرية. إن فهم خصائص السطح والتحكم فيها له أهمية كبيرة لأن العالم من حولنا يتكون من لقاءات بين الأسطح الوسيطة، ويتم تحديد استقرار المواد إلى حد كبير من خلال خصائص سطحها.

إن قوة الماس ومتانته تجعله المرشح المفضل كمواد طلاء وحماية للأسطح التي تواجه الظروف القاسية من التآكل الميكانيكي والتآكل الكيميائي. حصل هوفمان على جائزة خاصة من جنرال موتورز للتطورات التي من شأنها أن تسمح بتغطية الفولاذ بطبقة رقيقة من بلورات الماس وبالتالي زيادة مقاومته للتآكل. ويتوقع هوفمان أن يتوسع استخدام طبقات الماس متعدد البلورات ليشمل الصناعات الإلكترونية والتطبيقات الطبية الحيوية ومجال الفضاء، وأن الماس سيكون مادة السيراميك في المستقبل.

عملية زراعة طبقات من حبيبات الماس من الطور الغازي كما تتم في كلية الكيمياء في التخنيون موصوفة بشكل تخطيطي في الرسم البياني أدناه:

خيوط عند درجة حرارة حوالي 2000⁰ والسطح تحته بحوالي سنتيمتر واحد عند درجة حرارة حوالي 700 درجة⁰. تتشكل نواة التبلور أولاً على السطح، ونظراً للاختلافات في حالة الطاقة بين الجذور في منطقة الفتيل وسطح النمو، يتم الحصول على عمليات امتزاز ذرة الكربون والتي، في وجود الهيدروجين النشط، تسبب نمو نواة الماس. تنمو طبقات الألماس متعدد البلورات المستمرة بمعدل ميكرون واحد في الساعة.

من أجل طلاء سطح معين بطبقة موحدة وناعمة من الماس، من الضروري تحقيق كثافة عالية من نوى النمو، وقد قام هوفمان وفريقه بالتحقيق في كيفية التحكم في هذه المعلمة. لقد حاولوا تطوير طريقة كيميائية فيزيائية لربط نواة النمو بالسطح المخصص للطلاء، واختبروا، من بين أمور أخرى، استخدام حمام الموجات فوق الصوتية. في هذه العملية، يتم وضع الجسم المراد طلائه في خليط كحولي يحتوي على مسحوق الماس النانوي وجزيئات مواد أخرى ويتم تطبيق مجال الموجات فوق الصوتية عليه.

لاحظ البروفيسور هوفمان وفريقه أن العملية تزيد بشكل كبير من كثافة نوى النمو، لكنهم حصلوا على نتائج متغيرة لم تتقدم في فهم العملية، حتى قامت إحدى أعضاء الفريق – روزا أحبالدياني – بإدخال حبيبات كبيرة من الألومينا إلى الخليط، وهو مادة صلبة ومتينة للغاية. وكانت النتيجة فاقت كل التوقعات - فقد زادت كثافة النوى بمقدار ثلاثة أضعاف من 10⁸ إلى 10¹¹ حبات لكل سمر. أدرك الباحثون المتفاجئون أن هذه لم تكن عملية كيميائية لأن الألومينا خاملة في ظل الظروف التجريبية، وخلصوا إلى أن عملية ميكانيكية قد حدثت - اهتزت حبيبات الألومينا الكبيرة تحت تأثير مجال الموجات فوق الصوتية وضربت الماس الصغير مثل المطارق. تطفو الجزيئات في المحلول وتلتصق بقوة بالسطح.

وقد ولد هذا الاكتشاف نتيجة عمل عرضي، لكن هوفمان يقول إن النتيجة غير المتوقعة في تجربة ما أو النتيجة التي تبدو غير منطقية في البداية غالبا ما تؤدي إلى اختراقات واكتشافات في العلوم. ويحرص دائمًا على إيصال هذه الرسالة إلى طلابه. لا يوجد بديل عن التخطيط والعمل الجاد، ولكن من المهم أيضًا عدم تجاهل الأحداث والنتائج غير العادية التي تبدو للوهلة الأولى مخالفة للحكمة التقليدية، لأن الاكتشاف المهم غالبًا ما يكون مخفيًا فيها، كما يوضح البروفيسور هوفمان.

اكتشاف ساعة الشفق

لحظة استثنائية أخرى من هذا النوع، أدت فيها نتيجة مصادفة إلى حل لغز كبير، استخدمها هوفمان للمساهمة في توضيح الآلية الكامنة وراء عملية العجز، أو نواة الماس من الجسيمات النشطة.

وحدث هذا الاكتشاف عندما اختبر هوفمان وفريقه تأثير المجال الكهربائي على عملية تكوين الألماس النانوي بعد أن افترض أن نوى التكوين تتشكل تحت تأثير مثل هذا المجال. وهنا أيضاً قدمت التجربة في البداية نتائج غير منطقية، لكن كل شيء تغير بفضل لحظة واحدة من الصدفة والحدس العلمي. كان الغسق قد ساد الظلام في المختبر. اتصلت طالبة البحث إيرينا جوزمان بهوفمان لاختبار المنشأة وتفعيل العملية كما فعلت عدة مرات من قبل. قامت بتشغيل المجال الكهربائي، لكنها نسيت هذه المرة تشغيل السلك. وفي الظلام الذي ساد المختبر، لاحظ الباحثون لدهشتهم وجود شرارة داخل المنشأة التجريبية التي ظلت مظلمة أيضًا بسبب غياب الفتيل.

وفيًا لطريقته، ركز هوفمان على الاكتشاف غير المتوقع وأدرك أنه اكتشف شيئًا مهمًا. وواصل الفريق فحص الظاهرة حتى أصبحت الصورة أكثر وضوحا ووضوحا. وتبين أن المجال الكهربائي هو الذي يتسبب في إحداث انهيار كهربائي تتشكل فيه جزيئات حيوية تساهم في تكوين الألماس النانوي الذي يعتبر مراكز تكوين أولية. في ظل هذه الظروف، يتم تسريع أيونات الكربون والهيدروجين بسرعة عالية إلى السطح حيث تشكل النواة الأولية للماس. تم لاحقًا شرح عملية إنشاء النواة الأولية وتنميتها إلى أبعاد الماس النانوي بواسطة يشعياهو ليفشيتز (حاليًا أستاذ في كلية هندسة المواد في التخنيون) وهوفمان وآخرين وتم نشرها في مجلة Science المرموقة في 2002.

الماس في الفضاء

يأخذ هوفمان الآن البحث إلى آفاق جديدة ويختبر سلوك طبقات الماس متعدد البلورات في الفضاء. على ارتفاع 200 إلى 500 كيلومتر فوق الأرض، حيث تدور الأقمار الصناعية، توجد تركيزات عالية نسبيًا من الأكسجين الذري والأشعة فوق البنفسجية التي تؤدي إلى تآكل المواد المختلفة بكفاءة عالية. في التجارب المعملية، وجد أن طبقات الماس المتعددة البلورات شديدة المقاومة لبيئة الفضاء القاسية. في الآونة الأخيرة، تم إرسال طبقات من الماس المزروع في مختبر هوفمان على متن مكوك الفضاء أتلانتس، للبقاء في الفضاء لمدة عام واحد. وعند عودتها، سيتم اختبار تأثير البيئة عليها وما إذا كانت مناسبة للاستخدام كمواد طلاء وحماية لأجزاء من الأقمار الصناعية، وبالتالي إطالة متانتها وعمرها بشكل كبير.

النتائج الموضحة في هذا المقال القصير هي جزء من العديد من الأعمال البحثية التي تم إجراؤها في كلية الكيمياء في العقدين الماضيين من قبل العديد من طلاب البحث وفريق بحث تحت إشراف البروفيسور هوفمان وشركائه.