اكتشف فريق من الباحثين من بار إيلان سبب قوة الماسة

ذرات الكربون غير المرتبطة ببعضها بشكل مباشر تتنافر مع الذرات الأخرى وهذه القوة تمنع الماس من الانكماش، كما يوضح البروفيسور شماريو هوز، الذي ترأس المجموعة البحثية في حديث لموقع هيدان. يتم نشر المقال في مجلة مخصصة للبحث في الكيمياء الفيزيائية ووفقًا لهوز، فإنه سيوفر أدوات لتطوير مواد أقوى. * يضم الفريق أيضًا البروفيسور إيلي ألتوس من التخنيون

تمكن فريق من العلماء من جامعة بار إيلان من كشف السر الذي يجعل الماسة صلبة للغاية. نعلم جميعًا أن الماس هو أقوى مادة في الطبيعة، وقد درس العديد من العلماء حول العالم منذ سنوات سبب ذلك. والآن تم العثور على الحل على وجه التحديد في إسرائيل.

واكتشف فريق الباحثين بقيادة البروفيسور شمارياهو هوز من قسم الكيمياء في جامعة بار إيلان، أن التفاعلات بين الذرات الموجودة في الألماس، والتي لا ترتبط ببعضها البعض بشكل مباشر، هي السبب الرئيسي للصعوبة. يوضح البروفيسور هوز: "كما نعلم، يتكون الماس من الكربون النقي". "كل ذرة كربون في الماس محاطة بأربع ذرات كربون إضافية مرتبطة بها مباشرة، وكل ذرة من هذه الذرات مرتبطة بثلاث ذرات كربون إضافية. وهكذا يتم إنشاء هيكل خاص في تركيبة الماس، حيث يوجد حول كل ذرة 12 ذرة كربون غير مرتبطة بها. اكتشفنا في البحث أن التنافر بين هذه الذرات هو أحد الأسباب الرئيسية وراء صلابة الماس".

وهذا الاكتشاف، الذي سينشر في العدد القادم من المجلة العلمية The Journal of Physical Chemistry، يمكن أن يؤدي إلى تطوير مواد إضافية ستتفوق بدرجة عالية من الصعوبة، وربما أعلى من الماس.

وهذه ليست المرة الأولى التي يكتشف فيها هذا الفريق من العلماء ظواهر مهمة في دراسة المواد. مجموعة البحث، التي تضم كما ذكرنا البروفيسور شمرياهو هوز، البروفيسور هارولد باش والدكتور ليئور يتسحاقي من قسم الكيمياء في بار إيلان، والبروفيسور إيلي ألتوس من التخنيون، تعمل منذ عدة سنوات في البحث عن صلاحية قوانين الهندسة الميكانيكية في عالم النانومتر، بل وكشف مؤخراً عن وجود قضبان جزيئية اصطناعية قوتها أكبر بـ 40 مرة من قوة الماس. "إن دراسة عالم النانو (الذي تقاس وحداته بآلاف الميكرونات) باستخدام أدوات الهندسة الميكانيكية، قد يكون له أهمية كبيرة في توسيع المعرفة الإنسانية وكذلك في المجال التطبيقي." يقول البروفيسور هوز.

وفي محادثة مع موقع العلوم، يوضح البروفيسور هوز: "يستخدم المهندسون الميكانيكيون أدوات مختلفة لاختبار المواد. باستخدام هذه الأدوات، من الممكن التحقق من صلابة المواد، ومرونتها، ومتى تنكسر، وما إلى ذلك. لقد حاولنا استخدام هذه الأدوات على المستوى الجزيئي النانوي، وبدأنا أولاً في فحص ما إذا كانت القضبان، التي يستخدم هيكلها الأقوى في مسارات السكك الحديدية وعوارض البناء، هي أيضًا أقوى بنية على المستوى النانومتري أو الجزيئي. وتبين أن هذا ليس هو الحال.

أقوى حزمة يستخدمها المهندسون هي ما يسمى I BEAM، الذي يشبه مقطعه العرضي الحرف I، كما يظهر في مسارات السكك الحديدية والعوارض التي تشكل الهيكل العظمي للمباني. أحد الأسئلة التي نطرحها في بحثنا هو إلى أي مدى تكون هذه الحقيقة صحيحة أيضًا في عالم النانو. "

"خلال البحث، قمنا بفحص قضبان مختلفة بناءً على مواد مختلفة، وبالتالي لها أيضًا أشكال مختلفة. أظهر أحد القضبان التي اختبرناها ظاهرة غريبة - فعندما قمنا بمدها وضغطها، تحملت الأجزاء "الخاطئة" التي لم نفكر فيها بشكل أساسي العبء الأكبر من الانكماش أو التمدد. عندما نظرنا بعناية إلى هذه الأجزاء، رأينا أن ما يمنع الوحدة الثانية من الانهيار أو الانكماش أو التمدد (اعتمادًا على الإجراء الذي قمنا به) هو التفاعل غير المرتبط - التفاعلات بين الذرات التي لا ترتبط ببعضها البعض بشكل مباشر."

ما المقصود بالروابط بين الذرات غير المرتبطة مباشرة؟

البروفيسور هوز: "عندما تنظر إلى الماس، ترى أنه يتكون من ذرات الكربون المرتبطة ببعضها البعض. يحتوي الكربون على أربع روابط، وبالتالي فهو محاط بأربع ذرات كربون أخرى يرتبط بها. اختر أي ذرة كربون واحدة وسمها الذرة المركزية للألماس، وبالطبع هناك أربع ذرات كربون أخرى تحيط بها في الفضاء. ترتبط كل واحدة منها بالذرة المركزية وثلاث أخرى، أي أنه يوجد في محيط الذرة المركزية 12 ذرة أخرى (أقرب 4 جيران ترتبط بهم و3 أخرى يتصل بها كل من هذه الجيران) . وتقع هذه الذرات على مسافة صغيرة نسبياً من الذرة المركزية ويحدث تنافر بينها وبين الذرة المركزية. عندما تضغط على ذرة في الماس، فإنك تقلل هذه المسافات ويزداد التنافر، ونفترض أن هذا ربما هو السبب وراء صلابة الماس. هناك سبب آخر لصعوبة الماسة وهو السبب الكلاسيكي. كما نعلم، فإن معظم المادة (باستثناء المعادن أو الغازات النبيلة) تتكون من جزيئات منفصلة من المادة. هناك فجوات كبيرة بين المنفصلين. عندما تضغط على المادة، فإن ما ينضغط ليس الجزيئات نفسها، بل تقل المسافات بينها. الماس، مقارنة بمادة عادية، إذا كانت مثالية، فهو عبارة عن جزيء واحد كبير وبالتالي يصعب ضغطه، ولكن لا تزال هناك معادن تمثل أيضًا جزيءًا واحدًا كبيرًا ولكنها ليست بهذه القوة. سبب الصلابة الزائدة وفقًا لاقتراحنا هو تلك التفاعلات بين الذرات التي لا ترتبط ببعضها البعض بشكل مباشر."

ما الذي يجعل هذه الذرات تتنافر مع بعضها البعض والذرة "المركزية"؟

"بشكل عام، هذا هو التنافر المألوف بين السحب الإلكترونية: التنافر الإلكتروني. بين أي جزيئين مثل جزيئات النيتروجين على سبيل المثال، تتنافر الإلكترونات مع بعضها البعض ونتيجة لذلك ترتد الجزيئات لتبتعد. ومع محاولتك التقريب بينهما، تزداد الطاقة اللازمة لذلك. عندما ترتبط الذرات ببعضها البعض، فإن اكتساب الطاقة للرابطة يعوض هذا التنافر، بل وأكثر من ذلك، ولكن عندما لا تكون مرتبطة كما في حالتنا 1 مع 12، يكون ذلك تأثير تنافر صافي.

كيف تعتقد أن هذا الاكتشاف سيساعد على تطوير منتجات أقوى؟

"بشكل عام، عند البحث عن شيء ما، هناك خياران، الأول - التجربة والخطأ، عليك تجربة جميع المواد الموجودة في العالم، واختبار المواد، وربما تجد شيئًا ما، مثل البحث عن علاج للسرطان، والخيار الثاني هو لمحاولة فهم هذه الظاهرة، وبناء على الفهم، بناء استراتيجية لتجميع هذه المواد. إن الفهم الذي وجدناه هنا، على افتراض صحته، قد يكون إحدى الشموع التي ستضيء الطريق إلى تركيب ذكي لمواد ستكون أصلب من الماس.

بعد النشر، سيحاول علماء آخرون التحقق من الاكتشاف، هل أنتم مستعدون لذلك؟

لقد توصلنا إلى الفكرة، وهي نوع من الإسقاط لظاهرة معروفة في مكان آخر في الطبيعة أيضًا على الماس، والآن جاء دور المجتمع العلمي للتحقيق والتحقق أو محاولة دحض الاكتشاف. نحن نتحرك على أي حال. ابتكارنا يكمن في هذا التبرع المتواضع. ووفقاً للأدبيات المهنية في هذا المجال، فهذه هي المرة الأولى التي يصل فيها شخص ما إلى مثل هذه الرؤية ونأمل أن تكون صحيحة.