الجسيمات التي تتبع الشمس

كما يمكن للإشعاع الشمسي، الذي يعتبر مصدرا لا حصر له للطاقة، أن يقدم لمحة نادرة عن عالم المواد النانوية. 

كما يمكن للإشعاع الشمسي، الذي يعتبر مصدرا لا حصر له للطاقة، أن يقدم لمحة نادرة عن عالم المواد النانوية. وفي دراسة جديدة أجراها علماء من معهد وايزمان للعلوم وجامعة بن غوريون في النقب، تم اكتشاف شكل بعض الجسيمات النانوية غير العضوية من خلال استخدام ضوء الشمس المركز. البحث، الذي شارك فيه علماء ألمان أيضًا، "يسلط ضوء الشمس" على سلوك جزيئات بحجم النانومتر، وقد يؤدي إلى تطوير تطبيقات متقدمة للمواد النانوية المختلفة.

منذ ما يقرب من عقدين من الزمن، اكتشف البروفيسور رشيف تانا وشركاؤه الباحثون في كلية الكيمياء في معهد وايزمان لأول مرة أن الجسيمات النانوية من مادة غير عضوية يمكن أن تشكل هياكل مجوفة تشبه القفص. حتى ذلك الحين، كان يُعتقد أن جزيئات الكربون فقط هي القادرة على إنشاء هياكل كروية مجوفة - وهي الهياكل التي أطلق عليها اسم "الفوليرين" بسبب تشابهها مع القباب الجيوديسية التي اخترعها المهندس المعماري ريتشارد بيكمينستر فولر. فتح اكتشاف البروفيسور تانا مجالًا جديدًا للبحث، مع التركيز على الجسيمات غير العضوية الشبيهة بالفوليرين، مما أدى إلى تطبيقات مذهلة - مثل إنتاج مواد التشحيم الصلبة المحسنة. ومع ذلك، فقد فتحت الأبحاث في هذا المجال العديد من الأسئلة الجديدة، خاصة تلك المتعلقة بالعلاقة بين الخصائص الخاصة للجسيمات وبنيتها وشكلها.

إن ما يسمى بجسيم الفوليرين غير العضوي "الحقيقي" - أي أصغر جسيم يشبه القفص من مادة غير عضوية وأكثرها ثباتًا - له هيكل مثمن: جسم يشبه المكعب، ولكن بثمانية وجوه بدلاً من ستة. لقد قام العلماء في معهد وايزمان ومعاهد بحثية أخرى حول العالم بإنشاء مثل هذه المثمنات من قبل، لكن الفوليرينات غير العضوية الأكبر حجمًا لها بنية كروية متعددة الطبقات. كيف يتم تحديد شكل الجسيمات النانوية؟

تم الحصول على الإجابة على هذا السؤال الأساسي، وهو أمر أساسي لفهم المواد النانوية، في الدراسة الجديدة، التي نُشرت مؤخرًا في النسخة الدولية من مجلة Angewandte Chemie. وعمل الفريق الدولي من الباحثين على جسيمات نانوية لا يتجاوز حجمها عدة أجزاء من المليون من المتر، من مادة تسمى ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2).

كان الهدف الأول هو تكوين أبخرة ذرية من ثاني كبريتيد الموليبدينوم. وفي الدراسات التي أجريت في الماضي والتي استخدم فيها ضوء الليزر لهذا الغرض، لم تتكون إلا مثمنات صغيرة مكونة من حوالي 20,000 ألف ذرة. من أجل إنشاء مثمنات أكبر، قام علماء من جامعة بن غوريون، بقيادة البروفيسور جيفري جوردون، ببناء جهاز شمسي مبتكر يتكون من نظام من المرايا التي تركز أشعة الشمس، وتنتج شعاعًا شديد الكثافة، تبلغ قوته أقوى بحوالي 15,000 مرة من أشعة الشمس. واستخدم العلماء هذا الجهاز لتسخين ثاني كبريتيد الموليبدينوم إلى درجة حرارة 2,500 درجة مئوية، وتحويله إلى سحابة ساخنة من الذرات الفردية. وبما أن الشعاع الشمسي المركز أوسع بكثير من أشعة الليزر المستخدمة في الدراسات السابقة، فقد تم إنشاء ظروف فريدة في الجهاز. سمحت هذه الظروف لذرات التبريد بتكوين مجموعات أكبر بكثير من تلك التي تم إنشاؤها بعد استخدام الليزر.

بعد ذلك، استخدمت الدكتورة آنا ألبو ييرون من معهد وايزمان وزملاؤها العديد من المجاهر الإلكترونية - بما في ذلك المجهر المتقدم في مختبر الدكتور لوثار هوبن في مركز أبحاث يوليش في ألمانيا - لفحص بنية الجسيمات النانوية التي تم إنشاؤها. قدمت الصور الناتجة أول دليل تجريبي للتنبؤات النظرية التي أنتجتها مجموعة البروفيسور جوتهارد سيفرت في جامعة دريسدن التقنية، والتي تبين أنها دقيقة بشكل ملحوظ. وكشفت الصور أنه بالإضافة إلى المثمنات والمجالات متعددة الطبقات، تتشكل في بعض الأحيان جزيئات وسيطة "هجينة".

وتبين أن هناك علاقة بين البنية الناتجة وحجم الجسيم: أصغر الجزيئات، التي يقل حجمها عن 100,000 ذرة، كانت عبارة عن مثمنات مجوفة. أما الجسيمات الأكبر حجمًا، والتي تضم حوالي 500,000 ذرة، فكان لها بنية وسيطة: طبقات مثمنة في القلب، وهي ملفوفة في العديد من الطبقات الكروية، مثل البصلة.

وإلى جانب الإجابات التي تقدمها للأسئلة الأساسية في مجال علم المواد، قد تؤدي نتائج البحث إلى تطبيقات عملية. يستخدم ثاني كبريتيد الموليبدينوم كمحفز في عملية تنظيف الوقود الأحفوري. وفي هذه العملية يتم التخلص من الكبريت لمنع تكون ثاني أكسيد الكبريت الذي يساهم في هطول الأمطار الحمضية. ولهذا الغرض، قد يكون شكل الجسيمات النانوية من ثاني كبريتيد الموليبدينوم أكثر فعالية: بفضل بنيتها ثلاثية الأبعاد، قد تكون هذه الجسيمات أكثر سهولة في التفاعل مع الكبريت، وبالتالي تسريع عملية التنظيف. وعندما ينجحون في إنتاجها بكميات كافية، يعتزم العلماء اختبار إمكانات الجزيئات الشمسية كمحفزات لإزالة الكبريت. وستفيد مثل هذه المحفزات البيئة بطريقتين: سيتم إنتاجها باستخدام طريقة الطاقة الشمسية النظيفة، وستكون أكثر فعالية في الحد من الأضرار التي يسببها الوقود الأحفوري للبيئة.

وترتبط التطبيقات المحتملة الأخرى للجسيمات النانوية الشمسية بحقيقة أن الجزيئات المثمنة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم لها خصائص المعدن، ولكن الجسيمات الكروية هي أشباه الموصلات. وهذا يعني أن الجسيمات ذات البنية المتوسطة الكروية المثمنة هي أشباه الموصلات المحيطة بمكون ذي خصائص معدنية. وقد يكون لمثل هذا الهيكل استخدامات جديدة في صناعة أشباه الموصلات، مثل إنشاء أجهزة استشعار متقدمة على سبيل المثال.

أجرى البحث الدكتورة آنا البو ييرون والبروفيسور موشيه ليفي في مختبر البروفيسور رشيف تانا من قسم المواد والسطوح في كلية الكيمياء في معهد وايزمان للعلوم، مع الدكتورة رونيت بوبوفيتش - بيرو من قسم الخدمات الكيميائية بالمعهد؛ بالتعاون مع البروفيسور دانييل فيورمان والدكتور يوجين كاتس من مختبر البروفيسور جيفري جوردون في جامعة بن غوريون؛ وبالتعاون مع علماء من ألمانيا: مارك فايدنباخ، والدكتورة مايا بار سيدان، والدكتور لوثار هوبين في مركز أبحاث يوليش، والدكتور أندري أنياشين والبروفيسور جوتهارد سيفرت من جامعة دريسدن التقنية.