أفكار ستغير العالم: جزيئات فائقة تتكون من ذرات غير موجودة في الجدول الدوري

طريقة لبناء جزيئات ومواد جديدة لا يسمح بها الجدول الدوري

بقلم جون باولوس، تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل وشبكة أورت إسرائيل 29.01.2017

قد يبدو أن الجدول الدوري يحتوي على العديد من العناصر، لكن الكيميائيين وعلماء المواد يرغبون في رؤية المزيد من العناصر. والسبب هو أن كتب الوصفات الطبيعية تشكل عقبات أمام أولئك الذين يسعون إلى تطوير مواد اصطناعية ذات خصائص مفيدة بشكل خاص، على سبيل المثال، الموصلات الفائقة الشبيهة بالسيليكون القادرة على الخضوع للتحلل البيولوجي مثل الخشب الطبيعي. ويقول: "يحدث في كثير من الأحيان أننا نريد ذرة غير موجودة في الواقع". كولين نيكولز، أستاذ الكيمياء في جامعة كولومبيا. الإجابة على هذه الحاجة يمكن أن تكون جزيئات مبنية من "الذرات الفائقة" - مجموعات من الذرات التي تتصرف مثل العناصر المفردة. من الممكن بناء ذرات فائقة ذات خصائص إلكترونية ومغناطيسية يصعب أو يستحيل الحصول عليها عن طريق التركيبات الطبيعية للعناصر. ولكن على الرغم من أن الكيميائيين عرفوا منذ عقود كيفية صنع الذرات الفائقة، إلا أنهم كافحوا لإيجاد طريقة موثوقة لتجميعها في هياكل أكبر.

ولكن الآن اكتشف فريق نيكولز طريقة تجعل من الممكن بناء جزيئات مصنوعة من الذرات الفائقة. يمكن للهياكل الاصطناعية الناتجة أن تحاكي خصائص الجزيئات الموجودة في الطبيعة، ولكنها توفر أيضًا لعلماء المواد تحكمًا معينًا في خصائصها والقدرة على تكييفها لأغراض محددة. يقول نيكولز: "يمكن بسهولة تغيير الخواص الكيميائية أو المغناطيسية للجزيئات المكونة من الذرات الفائقة بطرق غير ممكنة في الهياكل الذرية العادية". "إنه مثل إضافة بعد آخر إلى الجدول الدوري."

والتر نايت اكتشف وزملاؤه في جامعة كاليفورنيا في بيركلي الذرات الفائقة في عام 1984 عندما قاموا بتركيب مجموعات من ذرات الصوديوم التي يتصرف غلافها الإلكتروني الخارجي مثل غلاف الذرة الواحدة، مما أدى إلى زيادة خصائصها المغناطيسية وقدرتها على التفاعل مع الذرات الأخرى. ومنذ ذلك الحين، قام العلماء بتكوين مجموعات من الذرات الفائقة من الألومنيوم والبلاتين والروبيديوم وعناصر أخرى. ولكن لتجميع الذرات الفائقة في جزيئات أكبر، كان على العلماء أن يفهموا القوانين الكيميائية الخاصة التي تحكم عالم الذرات الفائقة، والتي تختلف عن تلك الخاصة بأقاربها في الجدول الدوري.

تنتظم الإلكترونات بشكل طبيعي حول نواة الذرة وفقا لمبدأهيكل (مصطلح ألماني يشير إلى بنية موجهة من الأسفل إلى الأعلى؛ وقد تم تقديم هذا المبدأ في السنوات الأولى لميكانيكا الكم). أنها تملأ مستويات الطاقة المنخفضة قبل المستويات الأعلى. استخدم نيكولز وفريقه الاكتشاف الأولي للطالب البحثي اينوك م. آري تشامبسور وبدأوا في تطوير مبدأ مماثل لبناء جزيئات اصطناعية من الذرات الفائقة.

حتى الآن، قام الفريق ببناء جزيئات مكونة من أزواج وثلاثيات من الذرات الفائقة المصنوعة من الكوبالت والسيلينيوم. لكن تشامبسور ونيكولز يعتقدان أن المبادئ التي اكتشفاها ستسمح ببناء مواد أكثر غرابة مع إمكانية استخدامها في أجهزة الاستشعار المرنة والملابس الذكية والبطاريات عالية الكفاءة. لن تضطر كتب دراسة الكيمياء إلى تحديث الجدول الدوري المطبوع فيها، كما يقول نيكولز: "مثل هذا الفعل يعادل الكيمياء". لكنه يقول إن الجزيئات فوق الذرية هي "وسيلة للحصول على أكثر مما تقدمه لنا الطبيعة".