سلاسل نانوية ماسية لبناء المصعد الفضائي

قبل أيام قليلة من رأس السنة الهجرية، دعيت للتحدث على شاشة التلفزيون قبل أيام قليلة عن الاكتشافات العلمية والتكنولوجية التي أتمناها لنا في العام الجديد. السؤال جعلني أفكر بعمق في الموضوع، وأحاول تحديد الأولويات لمختلف الاكتشافات والتطورات التكنولوجية. ما هو أفضل: أن الخلايا الشمسية للشركة الطرق الشمسية سيصل إلى تنفيذ ناجح على الطرق، أو سيجتاز دواء معين لسرطان الثدي المرحلة الثالثة من التجارب السريرية، أو ربما منظمة SpaceIL هل ينجح الإسرائيلي في هبوط مركبة فضائية زرقاء وبيضاء على القمر؟

في النهاية قررت أن السؤال بحد ذاته يحد من الفكر. إن التطورات العلمية والتكنولوجية تحدث تدريجياً، ولكن ما أتمناه حقاً لنا جميعاً في العام الجديد هو اكتشاف علمي مثير للإعجاب يفتح مجالاً جديداً ومثيراً لم نعتقد أنه ممكن من قبل. إن اكتشافات من هذا النوع تحدث دائمًا، وهي التي تقفز التكنولوجيا والإنسانية إلى الأمام خطوة بخطوة، جيلًا بعد جيل. ولا يمكننا أن نعرف متى ستحدث مثل هذه القفزات، أو من أي مختبر أو معهد بحثي ستأتي. ولا يسعنا إلا أن نكون متأكدين من أنه طالما أن الجنس البشري مشغول بالبحث وفهم الكون من حوله، فسوف يستمر في الظهور.

وهنا، في نفس اليوم الذي طُلب مني أن أتحدث فيه عن العام الجديد، تصدرت دراسة عناوين الصحف التي قد تبشر بمثل هذه القفزة إلى الأمام، وتدخلنا إلى عصر جديد وأكثر تقدما من العصر الحجري أو البرونزي أو الحديدي. إذا تحققت الآمال الكامنة في البحث الجديد، فقد ينقلنا ذلك مباشرة إلى عصر الماس.

الماس والقلائد

وفي الاكتشاف الذي نشر قبل أيام في مجلة علمية مرموقة مواد الطبيعة (Nature Materials)، كشف العلماء عن طريقة لإنتاج سلاسل نانوية رقيقة من الألماس، والتي قد تنافس صلابتها وقوتها صلابة الماس وأنابيب الكربون النانوية - وهي واحدة من أصلب المواد التي عرفها الإنسان.

وقال البروفيسور جون بادينج: "من وجهة نظر العلوم الأساسية، فإن اكتشافنا مثير للاهتمام لأن السلاسل التي صنعناها لها هيكل لم يسبق له مثيل من قبل". يتكون قلب السلاسل النانوية الناتجة من خط طويل ورفيع من ذرات الكربون منظمة بشكل مشابه للوحدة الهيكلية الأساسية للألماس: ذرات الكربون، كل منها متصلة بأربع ذرات كربون أخرى في بنية مستقرة تشبه الهرم. "يبدو الأمر كما لو أن صائغًا رائعًا قام بوضع أصغر ماسات ممكنة في قلادة طويلة مصغرة."

ويأتي اكتشاف المجموعة بعد ما يقرب من مائة عام حاولت خلالها مختبرات مختلفة، دون جدوى، ضغط المركبات التي تحتوي على ذرات الكربون وجعلها تتحلل وتتجمع مرة أخرى في شكل يشبه الماس. حتى اليوم تم الحصول فقط على المنتجات التي لا تحتوي على شكل منظم ومحدد والذي يكرر نفسه على شكل بلورة. وفي التجربة الحالية، استخدم الباحثون جهازا خاصا لضغط كمية كبيرة من البنزين، عند ضغط يزيد عن عشرة آلاف مرة الضغط الجوي الذي نعيشه على الأرض. تم ضغط جزيئات البنزين معًا وثنيها وتكسيرها. لذلك قام الباحثون بتخفيض الضغط تدريجيًا، وبالتالي منح ذرات الكربون الوقت الذي تحتاجه للتفاعل مع بعضها البعض وتشكيل سلسلة مرتبة في بنية تشبه الماس. عرض السلسلة ضئيل - فقط عدد قليل من الذرات متصلة ببعضها البعض - وأصغر بمائة ألف مرة من عرض شعرة الإنسان.

من اكاديمية الصناعة

إن طريقة إنتاج سلاسل الماس ليست مناسبة بعد للمنشآت الصناعية، لأنها تتطلب تطبيق ضغوط عالية للغاية على مواد مثل البنزين. وهذا الواقع قد يوقف تطور المجال في الصناعة في السنوات الأولى، ويحد من القدرة الإنتاجية الضخمة للسلاسل كمواد بناء. أنا لست متحمسا لهذا القيد. تصبح العمليات الصناعية ممكنة عند الحاجة إليها، حتى لو استغرقت عملية الانتقال من المختبر إلى المصانع سنوات. حتى الآن، لم يكن هناك سبب وجيه بما فيه الكفاية لبحث الصناعة في هذا الاتجاه، ولكن الأهمية المحتملة لقلائد الماس الصغيرة واضحة للجميع.

ونظرًا لأن بنية الألياف تشبه الماس، يتوقع منظرو علم المواد أنها ستكون صلبة بشكل استثنائي، وقوية بشكل استثنائي، ومفيدة بشكل استثنائي. "وفقًا للنظرية... من المحتمل أن تكون هذه أقوى وأصلب مادة ممكنة، كما أنها خفيفة الوزن." قال بادينج.

إذا نجح الباحثون في الأوساط الأكاديمية والصناعة في إثبات أن هذه مادة قوية وصلبة وخفيفة حقًا، ووجدوا طرقًا رخيصة لإنتاجها، فإن مجال المواد والهياكل سيشهد ثورة. وسيكون من الممكن دمج سلاسل الألماس الجديدة، المشتقة من البنزين الرخيص، في مجموعة واسعة من المواد. سنجدها في أبواب السيارات وجدران المنازل، وفي جوانب الطائرات، وحتى في المطارق والمناشير المنزلية. لكن التطبيق الأكثر إثارة بالنسبة لهم يمكن العثور عليه في الفضاء. لعقود عديدة، كان العلماء والمهندسون في جميع أنحاء العالم يحلمون بـ "مصعد الفضاء" - وهو حبل طويل يربط الأرض بالفضاء الخارجي، حيث يمكن للمصاعد الصعود والنزول لنقل الأشخاص والبضائع إلى الفنادق الفضائية والمحطات الفضائية والسفن الفضائية. التي انطلقت في رحلات إلى القمر والمريخ وما بعده. حتى الآن لم نتمكن من العثور على مادة قوية ومتاحة بما يكفي لصنع الحبل. وكانت أنابيب الكربون النانوية هي الوحيدة التي اقتربت من القوة المطلوبة، ولكن لم يتم بعد العثور على طرق لتقطيرها ولفها معًا بكميات كبيرة بما يكفي.

لا يزال من السابق لأوانه تحديد ما إذا كانت قلادات الألماس يمكن أن تكون مناسبة لصنع كل هذه الأشياء، ومن حيث المبدأ أفضل انتظار المزيد من الدراسات التي ستؤكد الاكتشاف الحالي، قبل أن أبدأ بالابتهاج الرسمي. ولكن يمكن للمرء أن يأمل أن يفتحوا مجالًا جديدًا ومثيرًا في هندسة المواد. وإذا استمر هذا المجال في التطور فإنه سينقلنا جميعاً إلى العصر الجديد الذي أطلق عليه الباحث في تكنولوجيا النانو رالف ميركل "العصر الماسي". وكما انتقل الجنس البشري من العصر الحجري إلى العصر البرونزي والعصر الحديدي، فإنه سينتقل أيضًا إلى العصر الماسي، حيث ستكون المواد الهيكلية التي سنستخدمها أقوى وأصعب وأخف وزنًا من أي وقت مضى. .

التباديل من هذا النوع لا تقتصر فقط على فترات من آلاف السنين. قبل مائة وثلاثين عاماً فقط، كان الألمنيوم أغلى من الذهب بسبب صعوبة استخراجه من الأرض. في أرقى الولائم في فرنسا في ذلك الوقت، كان يُسمح للضيوف المتميزين باستخدام أواني الطعام المصنوعة من الألومنيوم، بينما كان على البقية الاكتفاء بأطباق ذهبية. ثم حدثت "البطاقة الجامحة" وتم اكتشاف طريقة جديدة ورخيصة لإنتاج الألومنيوم. وفي غضون سنوات قليلة، انخفض سعر الألومنيوم لدرجة أننا نستخدمه اليوم في كل منزل وفي العديد من الملحقات. وبعبارة أخرى، فإننا نتمتع اليوم بثروة لم يكن حتى أكثر الناس ثراءً يتصورونها قبل مائة عام.

أطيب التمنيات للعام الجديد

كثيرا ما أتساءل: ماذا لو حدثت معجزة تكنولوجية؟ ماذا لو وجدنا المفتاح البيولوجي في الجسم - نوع من الجينات - بتنشيطه سنوقف الشيخوخة والمرض؟ أم أننا سنكتشف صيغة تحول الماء إلى زيت؟ تبدو هذه الأفكار بعيدة المنال بالنسبة لي، حتى أتذكر اكتشاف طريقة إنتاج الألمنيوم، واكتشاف النفط الذي حل محل الفحم في أماكن كثيرة، واكتشاف الكهرباء التي أوصلت الطاقة إلى كل منزل. كل هذه كانت إنجازات ومفاجآت كبيرة، لكل جيل على حدة.

ولذلك، أتمنى لنا جميعاً أكبر قدر ممكن من المفاجآت والإنجازات العلمية والتكنولوجية. وأتمنى أن تقع في طريقنا مفاجآت متكررة، كل واحدة منها ستحتوي بالتأكيد على إمكانية تحسين الظروف المعيشية لنا جميعا. وأتمنى أن نسمع كل أسبوع اقتباسات مثل مقولة بادينج - "إن الفيزيائيين والكيميائيين مندهشون من أن ذرات جزيئات البنزين تعيد تجميع نفسها في درجة حرارة الغرفة لتشكل سلسلة."

أتمنى لك سنة مذهلة.

---------

مصدر الاقتباسات: بيان صحفي لجامعة ولاية بنسلفانيا