الضغط العالي ينتج بلورات البورون النقية

اكتشف العلماء لأول مرة على الإطلاق بلورة أيونية تتكون من عنصر كيميائي واحد فقط - البورون. وهذا هو الشكل الأكثر تركيزًا والأقوى من هذا العنصر والذي يختبئ عادة في المركبات، وهو ما لم ينجح رغم محاولات أفضل الكيميائيين منذ أكثر من 200 عام.

اكتشف العلماء لأول مرة على الإطلاق بلورة أيونية تتكون من عنصر كيميائي واحد فقط - البورون. هذا هو الشكل الأكثر تركيزًا وأقوى لهذا العنصر. وتبين أن الشكل الجديد هو المفتاح لفهم مخطط طور بور، وهو العنصر الوحيد الذي لم يكن مخطط طوره معروفًا منذ اكتشافه قبل قرنين من الزمان.

وقد نشر هذا البحث في مجلة الطبيعة العلمية المرموقة. ويتم نشر النتائج المتعلقة بقوة الشكل الجديد في مقال منفصل في المجلة العلمية Superhard Materials.
تألف فريق المؤلفين من فرق فرعية يرأسها الباحثون أرتيم ر. أوغانوف (عالم البلورات النظري من جامعة ستوني بروك)، جيوهوا تشين (باحث المواد من جامعة فلوريدا)، كارلو جاتي (الكيميائي النظري من جامعة ميلانو في إيطاليا). ) وفلاديمير سولوجينكو (كيميائي نظري من معهد الأبحاث الفرنسي CNRS). إن مثل هذا الجهد الهائل مطلوب للقضاء على العنصر الأكثر تعقيدًا في الجدول الدوري.

تُعرف مدينة بور منذ فترة طويلة بأنها "المقبرة" العلمية للباحثين العظماء. بدأت قصتها الغريبة في عام 1808 عندما أعلن فريقان ممتازان، أحدهما من باريس والآخر من لندن، كل على حدة عن اكتشاف عنصر جديد، وهو البورون. وقد ثبت لاحقاً أن "العنصر" في كلتا الحالتين كان في الواقع مركباً لا يحتوي على أكثر من سبعين بالمائة من البورون. تم الحصول على الدليل الأكثر شمولاً على ذلك من قبل كيميائي ممتاز آخر، هو H. Moissan، ولكن ثبت أيضًا لاحقًا أن مادته لا تحتوي على أكثر من تسعين بالمائة من البورون.

في عام 1858، كتب العالم ف. فولر في كتابه أن البورون له شكلان، متعدد الأشكال - أحدهما يشبه الجرافيت والآخر يشبه الماس. اليوم نحن نعلم أن كلا الشكلين هما في الواقع مركبات، AlB12 وB48C2Al، على التوالي. المرة الأولى التي تم فيها إعداد الحفرة عند مستوى تسعة وتسعين بالمائة كانت في عام 1909، لكن تلك لم تكن نهاية القصة. حتى واحد بالمائة من الشوائب، أو أقل، يمكن أن يغير البنية العامة وخصائص البورون بشكل حاد جدًا، وحتى المركبات مثل PuB100 معروفة.

يقول أرتيم آر أوجانوف، الأستاذ المشارك في قسم علوم الأرض بجامعة ستوني بروك: "إن مثل هذه القابلية للتلوث غير مسبوقة بين العناصر الأخرى، وتجعل دراسة هذا العنصر أقل من كابوس".

حتى الآن، تم الإبلاغ عن حوالي ستة عشر شكلاً متعدد الأشكال من البورون، ولكن من المحتمل أن معظمها ملوث ولكن أشكاله مستقرة. وهو العنصر الوحيد الذي لا تُعرف حالته الأساسية تجريبياً. ومن بين شذوذات بور الأخرى، فقد اقترح مؤخرًا أنه ينتهك القانون الثالث للديناميكا الحرارية (الذي ينص على أن الأشكال المستقرة عند الصفر المطلق يجب أن تكون منظمة تمامًا) عند الضغط الجوي. ويظل سلوك الحفرة عند الضغوط العالية أكثر غموضًا.
تم إعداد البنية التحتية للدراسة الحالية في عام 2004، عندما قام الباحثون تشن وسولوجينكو بشكل مستقل بتجميع شكل جديد من الحفرة في درجات حرارة وضغوط عالية تزيد عن مائة ألف ضغط جوي. ولم يكن من الممكن تحديد البنية الدقيقة للشكل الجديد بناءً على النتائج التجريبية وحدها، وكان الأمر يتطلب طريقة نظرية جديدة طورها الباحث الدكتور أوجانوف في ذلك الوقت.

ويقول الباحث: "إن الطريقة نظرية بحتة ولا تتطلب أي معلومات تجريبية، وتعتمد على مبادئ التطور الطبيعي المطبقة على البنية البلورية الأكثر استقرارا". "ينتج الكمبيوتر العشرات من الهياكل البلورية النظرية، التي يتم تقدير طاقتها من خلال حسابات ميكانيكا الكم، ومن ثم يتم "اقتران" الهياكل الأكثر استقرارًا مع بعضها البعض و"تلد" هياكل إضافية حتى يتم الحصول على البنية الأكثر استقرارًا".

باستخدام هذه الطريقة، تمكن الدكتور أوجانوف من العثور على البنية الصحيحة وتحديد أنها بالفعل الحالة الأساسية للبورون وأن هناك نقلًا كبيرًا للشحنة بين ذرات البورون المختلفة في البنية.

وأكد التحليل المتقدم الذي أجراه الدكتور جاتي وجود حالة أيونية بين الروابط وتوصلت التجارب الإضافية التي أجراها الدكتور سولوجينكو إلى أن الشكل الجديد قوي للغاية وله قيمة صلابة فيكرز تبلغ 50 جيجا باسكال، مقارنة بالألماس، أقوى مادة طبيعية، قيمة 70-150 جيجا باسكال. تشير الحسابات في ميكانيكا الكم إلى وجود منطقة واسعة من الاستقرار لهذا الشكل الجديد، تمتد حتى إلى ضغوط تصل إلى تسعمائة ألف ضغط جوي.

كيف يمكن أن تكون المؤسسة في شهر يونيو؟ تعلمنا كتب الكيمياء الأساسية أن نقل الشحنة يحدث عندما يكون للذرات سالبية كهربية مختلفة، وهذه الحقيقة تستبعد تلقائيًا إمكانية وجود عناصر في الحالة الأيونية. وجد بور حلاً مدهشًا ورائعًا لهذه الحقيقة - يتكون هيكله الجديد من نوعين مختلفين تمامًا من العناقيد النانوية - عشرونية الوجوه (جسم ذو عشرين وجهًا) B12 (يظهر باللون الأزرق في الرسم أعلاه) ومجموعة B2 (تظهر باللون البرتقالي) في الرسم أعلاه). يختلف الهيكل الإلكتروني لهاتين المجموعتين تمامًا - في الواقع، اعتماد الخصائص الإلكترونية على حجم المجموعة معروف ويعمل كمبدأ مهم في تكنولوجيا النانو. تختلف السالبية الكهربية لكلا النوعين من العناقيد وهذه الحقيقة تؤدي إلى تشتت الشحنة وقبول الشخصية الأيونية الجزئية في هذا الهيكل المثير للاهتمام.
يوضح الدكتور أوغانوف: "هناك حقيقة مذهلة أخرى تكمن في حقيقة أن مراكز كتلة التجمعات في هذا الهيكل الجديد تحتل نفس مواقع الذرات في بنية ملح الطعام (NaCl) - الهيكل الأيوني النموذجي".

ونتيجة لهذه النتائج، توقع الباحثون وجود أشكال أيونية أخرى لعناصر إضافية واقترحوا عدة احتمالات مستقرة أو شبه مستقرة. بالإضافة إلى ذلك، فمن المحتمل أنه في العناصر التي تكون سائلة يوجد مستوى معين من تشتت الشحنة اللحظية بين الذرات. إلى جانب كونها مثيرة للاهتمام، فإن العناصر الأيونية لها خصائص مثيرة للاهتمام ومهمة. وتشمل الخصائص الأكثر تأثراً بالطابع الأيوني ثوابت العزل الكهربائي والطيف الاهتزازي ونسبة الفجوة بين نطاقات الإلكترون. من بين الخصائص غير العادية لهذا الهيكل الجديد، طيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء المتوقع (الناتج بالكامل عن التوزيع المختلف للشحنة الإلكترونية) الذي تم تأكيده بالكامل من خلال تجارب فريق تشين.

خبر عن الدراسة باسم الجامعة ستوني بروك