الكرة مستديرة (أي تقريبًا) - تكريمًا جزيئيًا لكأس العالم

عند اكتشاف كرات بوكي - جزيء يحتوي على 60 ذرة كربون مرتبة تمامًا مثل كرة القدم

"يا رفاق، ما لديكم هو مجرد كرة قدم." هذا ما قاله عالم الرياضيات ويليام فيتش للكيميائيين هاري كروتو (من جامعة ساسكس، إنجلترا) وريتشارد سمولي (من جامعة رايس، تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية). كان يقصد البنية الفيزيائية الجيوديسية لجزيء جديد من الكربون النقي، يحتوي على 60 ذرة كربون، قدمه له الاثنان.

وفي الواقع، تم التنبؤ بوجود هذا الجزيء العملاق قبل عدة سنوات من اكتشافه الفعلي. كتب ديفيد جونز، الذي كتب عمودًا عن الاختراعات الخيالية في مجلة نيو ساينتست الأسبوعية (تحت الاسم المستعار "ديدالوس")، سابقًا أن ذرات الكربون يمكنها ترتيب نفسها في شبكة من الأشكال السداسية والخماسية، والتي تكون على شكل كرة مجوفة. إن البنية الفيزيائية للجزيء الجديد تذكرنا كثيرا بالبنية التي وصفها "ديدالوس"، وهي نفس البنية التي صممها وبناها المهندس المعماري بيكمينستر فولر في المعرض الدولي "إكسبو 67" الذي أقيم في مونتريال بكندا، وكانت تسمى "القبة الجيوديسية".

كيف يتم صنع الماس؟

بدأت قصة اكتشاف "كرة القدم الجزيئية" عندما درس هاري كروتو بالطرق الطيفية مجموعات من ذرات الكربون، مثل الجرافيت أو الماس، وسلاسل أخرى من الكربون الموجودة في الفضاء بين النجوم.

قام سمولي ببناء نوع جديد من الليزر، والذي مكن من فحص مجموعات صغيرة من الذرات. باستخدام هذا الليزر، يتم تبخير سطح البلورة الصلبة التي تحتوي على ذرات بعض العناصر. يتم دفع الأبخرة الناتجة عن طريق نفث من الغاز الخامل إلى الفضاء، حيث تتحد الذرات في مجموعات. كان سمولي في ذلك الوقت منخرطًا في الأبحاث الذرية لزوران.

أدرك كروتو أنه من خلال النظام الذي بناه سمولي، سيكون من الممكن إعادة إنتاج الظروف الموجودة على سطح النجوم العملاقة التي ينبعث منها الكربون المتبخر. قرر الاثنان، اللذان التقيا من خلال صديق مشترك، العمل معًا.

طائرات الهيليوم الأسرع من الصوت

قاموا بتبخير الكربون باستخدام شعاع ليزر قوي، ونقل البخار باستخدام طائرة هيليوم تفوق سرعة الصوت، إلى غرفة حيث تسود ظروف الفراغ. في هذه الغرفة تم تأين الجزيئات) مشحونة بشحنة كهربائية. (باستخدام مطياف الكتلة، تم فحص الوزن الذري لجزيئات غاز الكربون الفردية.

لاحظ أحد الباحثين في مجموعة سمولي البحثية، هاري هيث، في مخطط الطيف، قممًا تشير إلى جزيئات تحتوي على 60 ذرة كربون، والتي ظهرت بشكل متكرر نسبيًا. وباستخدام تقنيات مختلفة، تمكن الباحثون من زيادة انتشار هذه الجزيئات بشكل أكبر.

النهايات الحرة لـ "الأرض المسطحة"

في هذه المرحلة، اعتقد سمولي أن أسطح الكربون الشبيهة بالجرافيت تتشكل هناك، والتي تلتصق ببعضها البعض. اقترح كروتو نموذجًا مسطحًا بحواف منحنية يسمى "الأرض المسطحة". لكن هذه النماذج كان لها عيب ملحوظ: كان يجب أن تكون لها نهايات حرة يمكن أن تتفاعل كيميائيًا مع مواد أخرى. لكن الجزيئات التي تحتوي على 60 ذرة كربون كانت مستقرة للغاية، ولا تتفاعل مع أي مادة. وحتى البنزين، وهو مركب حلقي مغلق، يتفاعل مع جميع أنواع المركبات بسبب وجود ذرات الهيدروجين في رؤوسه. لكن الكربون الجديد A يحتوي على ذرات هيدروجين. ومعنى السلوك "المتغطرس" للجزيء الجديد هو أنه مبني في بنية مغلقة، بلا نهايات حرة أو حرة.

.

هذه هي الطريقة التي توصل بها الفريق إلى إمكانية وجود بنية جيوديسية. يتذكر كروتو أنه قام ذات مرة ببناء نموذج لقبة مصنوعة من الورق المقوى لأطفاله في المنزل. تذكر بشكل غامض أنها مصنوعة من أشكال سداسية وخماسية، لكنه لم يكن متأكدًا من ذلك، وذهب للبحث عن لعبة القبة في غرفة الأطفال. في هذه الأثناء، حصل سمولي على كتاب روبرت ماركس "العالم الديناميكي لبكمينستر فولر" والذي ظهرت فيه، من بين أمور أخرى، صورة لقبة جياديز التي بناها فولر في ذلك الوقت في باتون روز (*تحقق من اسم المكان) ل شركة سيارات اسمها "اتحاد مصنعي الناقلات" لكنه لم ينتبه إلى أن هذا الهيكل مبني من طائرات خماسية وسداسية.

.

ليلة عصيبة

.

في نهاية ذلك اليوم المرهق، عاد هاري هيث إلى منزله، وهناك حاول مع زوجته بناء نموذج للجزيء المطلوب من حلوى التوفي وأعواد الثقاب. لم ينجح. في ذلك المساء، كان سمولاي جالسًا أيضًا في منزله، محاولًا بناء نموذج من مكعبات صغيرة من الورق المقوى. وعندما حاول لصقها معًا للحصول على شكل كروي، أدرك أنه بعد بضعة صفوف خلقت نوعًا من "وعاء السلطة"، وصل الهيكل إلى طريق مسدود. في منتصف الليل، تذكر سمولي تلميح كروتو بشأن النجمة الخماسية.

قام بقطع خماسيات مناسبة وبدأ في ربطها بـ "وعاء السلطة". "ثم وجد أن الأشكال الخماسية ترتبط بشكل جيد مع الأشكال السداسية، وهكذا حصل على نصف الكرة الأرضية المبني من 12 شكلًا خماسيًا و20 شكلًا سداسيًا. من هنا وحتى الانتهاء من الكادوك الكامل الذي يحتوي على 60 رأسًا، كانت المسافة قصيرة. في كل قمة في الهيكل كان هناك اجتماع بين شكل خماسي ومسدس - والذي يرمز إلى ذرة كربون واحدة.

في اليوم التالي، بعد تقديم النموذج في المختبر، اتصل سمولي بفايتز، «حتى يتمكن من فحص جدوى البنية من وجهة نظر رياضية». رداً على ذلك، قال فيتش ما قاله عن كرة القدم - لكن اختباراته أظهرت أن الهيكل ممكن بالفعل. وبدلا من ذلك، تم تسمية الجزيئات الجديدة باسم "كرات بيكي" نسبة إلى المهندس المعماري بكمنستر فولر، حيث يتم بناء الجزيئات الجديدة كما كانت وفقا لنموذج القبة الجيوديسية التي صممها. في وقت لاحق من البحث، وجد أنه من الممكن التقاط ذرات معدنية مختلفة في "كرات الكربون" الجديدة، ذات حجم مادي مناسب لهذا (على سبيل المثال، اللانثانم).

لهب حارق

في هذه الأثناء، وجد كلاوس هوفمان من معهد الفيزياء في دارمشتات أنه في عام 1978 كان من المعروف أنه في اللهب المشتعل، تظهر الجزيئات التي تحتوي على 60 ذرة كربون، ولكن عندما تصل إلى الجزء الأزرق (المؤكسد) من اللهب، فإنها تظهر. حرق هيكل "كرات بوكي" من خلال فحص الرنين المغناطيسي النووي.

في هذه الأثناء، وجد بعض الباحثين الأميركيين والألمان طريقة لإنتاج «كرات الباكي» بكميات من المليغرامات يوميا، في حين يعرف سمولاي وطلابه بالفعل كيفية إنتاج عدة عشرات من الغرامات يوميا بسعر لا يتجاوز ذلك. من إنتاج الألمنيوم.

.

ماذا نخرج منه؟

.

إن إمكانيات الاستخدامات العملية لجزيئات الكربون الجديدة كثيرة. نظرًا لثباتها الكبير، يمكن استخدام المادة كمواد تشحيم مثالية، أو حتى كنوع من المحامل الجزيئية. ويمكن أن تشكل أساسًا لأنواع جديدة من المركبات العضوية مع إمكانيات استخدامها في الطب، والخلايا الكهروكيميائية الفعالة، وأساسًا لتطوير بطاريات جديدة، وحتى البحث في الطرق التي تتشكل بها المواد المختلفة في النجوم وفي الفضاء بين النجوم. .

الخاتمة

حصل سمولي وكروتو على جائزة نوبل في الكيمياء لاكتشافهما في عام 1996. وتوفي سمولي في عام 2005. يساعد كروتو في جمع الأموال للبحث العلمي، من بين أمور أخرى عن طريق "يانصيب العشاء مع الحائز على جائزة نوبل هاري كروتو".

ظهر المقال على مدونة بيشيم عزجد