تم تطوير شكل جديد تمامًا من هياكل العرض على مستوى النانومتر في جامعة يوهانس جوتنبرج الألمانية
تم تطوير شكل جديد تمامًا من هياكل العرض على مستوى النانومتر في جامعة يوهانس جوتنبرج الألمانية. تتيح هذه الطريقة التحديد الدقيق للترتيب المكاني للذرات والجزيئات داخل مجموعة متنوعة من المواد، من الأسمنت إلى الأدوية. تعتمد الطريقة على المجهر الإلكتروني وتسمح بمراقبة أصغر البلورات.
إن ترتيب الذرات والجزيئات في المادة الصلبة له تأثير حاسم على الخواص الفيزيائية للمادة. تم فحص مثل هذه الهياكل لأول مرة في عام 1895 باستخدام الأشعة السينية، وهي الطريقة التي أصبحت منذ ذلك الحين إجراء يومي. وتضمنت بداية البحث في هذا المجال اكتشاف أن البلورات تتكون من شبكات صغيرة في عام 1912، وهي خاصية مسؤولة عن تنوع الخصائص الحرارية والكهربائية والبصرية والميكانيكية الكامنة في هذه المواد. ويشير الباحث إلى أن "حقيقة أن هذه الطريقة لا يزال لها تأثير على فهمنا للمواد الصلبة وخصائصها تنعكس في عدد الحائزين على جائزة نوبل الذين فازوا بالجائزة بناء على التحليلات الهيكلية".
ولكن في عصر تكنولوجيا النانو، يركز العلم أكثر فأكثر على الجسيمات الدقيقة جدًا، والتي لم يعد من الممكن ملاحظتها من خلال التحليل البنيوي المعتمد على الأشعة السينية. على سبيل المثال، التحليل الهيكلي باستخدام الأشعة السينية لبلورة واحدة ممكن فقط حتى حجم بلوري يبلغ حوالي ميكرومتر واحد، أي جزء من الألف من المليمتر. تحت هذه العتبة، من الضروري استخدام طرق أخرى، مثل التصوير المقطعي بحيود الإلكترون (EDT) أو التصوير المقطعي بالحيود الآلي (ADT)، والتي تسمح بإنتاج صور هيكلية للبلورات الفردية لأول مرة على الإطلاق. يقول الباحث الرئيسي: "يبدو الأمر كما لو أننا سلطنا الضوء على عالم الهياكل النانوية". وعلى غرار المجهر الإلكتروني، تعتمد الطريقة بشكل عام على فكرة شعاع الإلكترون الموجه نحو جسم ما والذي ينعكس عنه. يسمح نمط حيود الإلكترون بتحديد موضع الذرات داخل الهيكل.
خلال العقد الماضي، قام فريق بحث الدكتور كولب بتطوير التصوير المقطعي بحيود الإلكترون لبلورة واحدة. وكان نجاحهم الأول في عام 2009 مع تحديد بنية كبريتات الباريوم. ويضيف الباحث: "منذ ذلك الحين، أصبح عدد المواد التي تمكنا من فك تركيبها هائلاً". وأحدث مثال على ذلك هو تحديد بنية الزيوليت ITQ-43 بالتعاون مع علماء إسبان وصينيين. الزيوليت عبارة عن بلورات تتكون من مركب من الطين والسيليكات. فهي تحتوي على مسام صغيرة تجعلها ذات أهمية خاصة في مجال الطاقة والتقنيات البيئية بفضل إمكانية استخدامها كمواد ماصة ومبادلات أيونية ومحفزات. وفي مجال معالجة المياه، يساعد الزيوليت على إزالة المعادن الثقيلة؛ وفي صناعة النفط والغاز، كان تطبيقها بمثابة ثورة صغيرة في عملية تكسير النفط الخام. ونواجهها أيضًا في حياتنا اليومية، على سبيل المثال، كعنصر في مساحيق الغسيل. قام فريق من العلماء من الجامعة التقنية في فالنسيا بإعداد زيوليت ذو مسام صغيرة ومتوسطة الحجم، يؤدي مزيجها إلى ظهور زيوليت يشبه القمع، وهي خاصية تزيد من نشاطهم التحفيزي. وفي مقال نُشر مؤخرًا في مجلة Science العلمية المرموقة، يصف الباحثون كيفية تحديد البنية البلورية المعقدة لهذه المادة باستخدام طريقة ADT.
يوضح الباحث: "كلما كان حجم بلورات الزيوليت أصغر، زادت كفاءتها التحفيزية". بالنسبة للبلورات التي يبلغ حجمها حوالي مائة نانومتر، تكون طريقة التصوير المقطعي الآلي في بعض الأحيان هي الطريقة الوحيدة التي تسمح بمراقبة كاملة ودقيقة للبنية الداخلية. "هناك عدد كبير من المواد الصلبة، الطبيعية والاصطناعية، والتي يمكن أن تكون طريقتنا مفيدة لها - وهي مواد غير متوفرة أو لا يمكن إنتاجها بحجم بلوري مناسب." وهكذا، على مدى العامين الماضيين، مرت تحت مجهر الدكتور كولب مجموعة واسعة من المواد، بدءًا من الأصباغ وأكاسيد المعادن المستخدمة في تقنيات الطاقة الشمسية، وانتهاءً بالمعادن الثمينة.
بالمقارنة مع المجهر الإلكتروني العادي، فإن التصوير المقطعي بحيود الإلكترون أسرع بكثير، كما أنه أكثر دقة واكتمالًا. وفي حين كان يتم تحديد هياكل المواد على مدى عامين كاملين، فإن نتائج الطريقة الجديدة يتم الحصول عليها في يوم واحد فقط. وحتى المواد الحساسة لشعاع الإشعاع يمكن، من حيث المبدأ، أن تكون مناسبة لهذه الطريقة، التي وصفها الباحث الرئيسي بأنها "التصوير المقطعي المحوسب للبلورات".
تشترك هذه الطريقة في ميزة مهمة مع التصوير المقطعي المحوسب والذي يعد جزءًا مهمًا من نجاحها: تخضع عينة الاختبار تحت المجهر لمسح تدريجي للمنطقة باستخدام طرف صغير للغاية من أجل جمع المعلومات من مجموعة واسعة من الزوايا المختلفة. ومن خلال استغلال هذه الخدعة، يمكن للعلماء تجنب المشكلة الرئيسية في هذا المجال: التفاعلات القوية بين شعاع الإلكترون والعينة جعلت حيود الإلكترون، حتى الآن، أكثر تعقيدا.
فيديو يوضح الطريقة
