كيف خلق دان شيختمان الذي يتسلم هذا الأسبوع (السبت) جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2011 مجالا علميا جديدا ومدهشا
في عام 1984، أذهل دان شيختمان من التخنيون عالم العلوم، وخاصة العاملين في مجالات علم المواد والكيمياء وفيزياء الحالة الصلبة، بنشر نتائج تجربة أجراها قبل عامين، أثناء إجازته التفرغية في المعهد الأمريكي. معهد المعايير. وقام شيختمان بتحضير لحام ألومنيوم يحتوي على نحو 14% من المنغنيز باستخدام تقنية التصلب السريع، وهو ما يعني تبريد اللحام السائل بمعدل أعلى من مليون درجة في الثانية. وبعد التبريد، قام شيختمان بفحص إحدى البلورات الصغيرة التي تشكلت باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ. في هذه التقنية، تقوم الإلكترونات التي تمر عبر البلورة بتكوين نمط حيود بنمط منظم يكشف عن تماثل البلورة. البلورات حسب تعريفها الكلاسيكي المقبول حتى ذلك الحين هي هياكل تتجمع فيها الذرات أو الجزيئات أو الأيونات التي تتكون منها بطريقة منظمة ولها نمط ثلاثي الأبعاد الذي يكرر نفسه. من السهل أن نثبت رياضيًا أن مثل هذه الهياكل يمكن أن يكون لها تماثل ثنائي أو ثلاثي أو مربع أو سداسي، ولكن لا تستطيع لديك تماثل خماسي أو ترتيب 7 أو أعلى.
ومع ذلك، أظهر مخطط الحيود الذي وجده شيختمان بوضوح تناظر عشروني الوجوه (تناظر من الرتبة 10) وأن البلورة الصغيرة تحتوي أيضًا على تناظر خماسي - وهي نتيجة تتناقض تمامًا مع تعريف البلورة لأنها لا تسمح بدورية طويلة المدى. ومع ذلك، حدد مخطط حيود شيختمان أن البلورة المدروسة تحتوي على مزيج لا يصدق من التماثل الخماسي "المحظور" والبنية المنظمة! لم يستغرق الأمر وقتًا طويلاً وتم اكتشاف بلورات ذات تناظر مماثل أيضًا في صمامات أخرى تم إعدادها باستخدام تقنية التصلب السريع التي تخلق بلورات تعتبر مراحل غير مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية. يوجد اليوم باحثون يزعمون أنه من الممكن تنمية بلورات مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية بمثل هذا التناظر في عمليات الإنتاج العادية، وليس بالضرورة عن طريق التصلب السريع.
وبعد ذلك مباشرة، تم العثور أيضًا على تفسير نظري لمثل هذا الهيكل البلوري، الذي له ترتيب طويل المدى ولكن ليس له دورية منتظمة. يعتمد التفسير، من بين أمور أخرى، على اكتشاف رياضي للفيزيائي البريطاني روجر بنروز، الذي أظهر كيف يمكن وضع مستوى ببلاطات ذات شكل معين وبانتظام معين والحصول على تماثل خماسي بدون دورات (نظرية بنروز تم نشر الاكتشاف لأول مرة في مجلة Scientific American في عمود الترفيه الرياضي الشهير لمارتن جاردنر - المحررون). بعد خمسة أسابيع من نشر مقال شيختمان، صاغ الفيزيائيان دوف ليفين وبول ستينهاردت اسم "أشباه البلورات" (حرفيًا: تشبه البلورات تقريبًا) نظرًا لحقيقة أنه على الرغم من وجود نظام بعيد المدى في هذه الهياكل، إلا أنها لا تحتوي على نظام بعيد المدى في هذه الهياكل. هيكل دوري مثل البلورات الكلاسيكية. بعد ذلك، قام الاتحاد الدولي لعلم البلورات بتغيير تعريف البلورة إلى التعريف التجريبي "مادة صلبة ذات نمط حيود منفصل".
لقد اخترق دان شيختمان علمًا جديدًا ورائعًا وسع حدود خيال ومعرفة العاملين في مجال علم البلورات في جميع أنحاء العالم. لقد تطورت دراسة أشباه البلورات بشكل كبير في السنوات التي تلت الاكتشاف. اليوم، في العديد من الجامعات حول العالم، ينخرط الباحثون في تنمية وفك رموز بنية أشباه البلورات وتقريباتها - البلورات التي تنتظم فيها الذرات في بيونات (متعددة السطوح) مماثلة لتلك الموجودة في أشباه البلورات ولكنها منظمة في شكل دوري طريقة.
واجه عالم العلوم صعوبة في قبول اكتشاف شيختمان المفاجئ، ولكن بعد مرور عشرين عامًا تقريبًا منحه أشرف علامة تقدير: جائزة نوبل في الكيمياء لعام 20.
_________________________________________________________________________________
عن المؤلفين
الدكتورة لويزا ميشي والبروفيسور أدين ستيرن باحثان في قسم هندسة المواد فيجامعة في جوريان بانجب.
