عبر "شطيرة ذرية".. الصين تفتح أبواب عصر ما بعد الغرافين
على مدار العقدين الماضيين، شكّل اكتشاف الغرافين نقطة تحول تاريخية في علوم المواد، إذ انفتح من خلالها باب جديد لعالم المواد الثنائية الأبعاد.
يتمتع الغرافين بخصائص مذهلة، مثل التوصيل الكهربائي العالي والصلابة الفائقة، إلا أنه ليس معدنا بالمعنى الكيميائي أو الفيزيائي الدقيق، بل هو شكل من الكربون تتراص فيه الذرات في صورة طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون (ومن هنا جاء لقب "ثنائي البعد")، أي أنه مادة غير معدنية تنتمي إلى فئة أشباه الموصلات أو المواد النانوية ذات السلوك الخاص.
ورغم تحقيق إنجازات لافتة في هذا المجال، فإن تحديا واحدا ظل يؤرق العلماء، كيف يمكن إنتاج معادن ثنائية الأبعاد مستقرة، دون أن تنهار أو تتأكسد أو تتفتت؟
الإجابة جاءت مؤخرا من الصين، وتحديدا من معهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، حيث كشف فريق بحثي في دراسة حديثة منشورة في دورية "نيتشر" عن طريقة مبتكرة أطلقوا عليها اسم "عصر فان دير فالز". هذه التقنية قد تكون المفتاح لفتح آفاق جديدة في تصميم الأجهزة الكمومية والإلكترونية والبصرية المتقدمة.
يقول أحمد قاسم، الباحث في قسم الكيمياء بجامعة فرجينيا كومنولث الأميركية، وغير المشارك في الدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "على مدار العقدين الماضيين، توسعت عائلة المواد الثنائية الأبعاد بسرعة، لتشمل مئات المواد الثنائية الأبعاد المتاحة تجريبيا، وما يقرب من 2000 مادة متوقعة نظريا. ومع ذلك، كان إنشاء المعادن الثنائية الأبعاد صعبا للغاية."
تحدي الشطيرة الذرية
لطالما كانت محاولة صناعة معدن على هيئة طبقة واحدة من الذرات، فيما يعرف بالتسطيح، أمرا أقرب للخيال. كي تتخيل السُمك المطلوب، عليك قطع ورقة الطباعة العادية إلى مليون شريحة عرضية متساوية، أو واحدا على 200 ألف من قُطر شعرة الإنسان.
بخلاف الغرافين وغيره من المواد الثنائية الأبعاد ذات الطبقات الضعيفة الترابط الكيميائي، فإن المعادن مثل البزموث أو القصدير أو الرصاص ترتبط ذراتها بروابط قوية في جميع الاتجاهات.
يقول قاسم: "تخيل روابط الغرافين كقطع ليغو ذرية، حيث تتراص طبقاتها بدقة ويمكن فصلها بسهولة. أما المعادن مثل البزموث أو القصدير، فهي ليست من نوع فان دير فالس. هذا يجعل عزل طبقة معدنية واحدة شبه مستحيل، فهي تتجعد أو تتأكسد فورا دون أي حماية".
ابتكر الفريق الصيني طريقة تبدو بسيطة في ظاهرها، ولكنها مذهلة في دقتها العلمية. وصفها قاسم بصناعة "أرق قطعة جبن مشوي في العالم"، إذ يُذاب المعدن النقي ليصبح سائلا، ثم يُضغط بين لوحين من مادة معينة ذات خصائص مذهلة، تشبه "التفلون الذري" في نعومتها وانعدام لزوجتها، فتمنع المعدن من الالتصاق أو التفاعل مع الهواء. بذلك تحصل على "شطيرة ذرية" من المعدن أرق من فقاعة الصابون، وأمتن من الفولاذ، وجاهزة لتشغيل تكنولوجيا الغد.
يضيف قاسم: "هذه المعادن فائقة الرقة وتنهار فجأة، وتصدأ في الهواء، أو تتكسر إلى رقائق صغيرة عديمة الفائدة. لذلك تُضغط قطرة المعدن السائل بين اللوحين بقوة هائلة تبلغ حوالي 140 ميغا باسكال، أي ما يعادل فيلا يقف على طابع بريد، مما يضغط المعدن إلى طبقة بسمك 3 إلى 6 ذرات فقط.
وكما هو الحال في تجميد الجليد ببطء لتجنب التشققات، يُبرّد المعدن لساعات"، هذا يسمح للذرات بالترتيب في صفيحة بلورية واحدة خالية من العيوب.
الدرع الذري
نجح الفريق في إنتاج معادن ثنائية الأبعاد من عدة عناصر، من بينها البزموث والقصدير والرصاص والإنديوم والغاليوم، بسُمك يتراوح بين 5 إلى 9 أنغستروم.
ولأن المعادن النانوية شديدة الحساسية، أي تتفاعل مع الهواء، وقد تؤدي أي اهتزازات حرارية طفيفة إلى تدمير بنيتها الذرية، يظهر دور الطبقتين الحاميتين أو اللوحين الفريدين من نوعهما، حيث يعملان كدرع فائقة تحافظ على استقرار المعدن.
يشرح قاسم: "دروع تلك المادة ليست مُصممة للضغط فحسب، بل تبقى ملتصقة بالمعدن إلى الأبد، كغلاف ذري يُحافظ على استقرار المعدن، حتى بعد سنوات، ويجعله يتحرك بحرية دون أي تداخل من البيئة".
كما تتميز التقنية الصينية بأنها تتيح الوصول إلى الخواص الفيزيائية الجوهرية للمعادن، مثل التوصيل الكهربائي المحسّن، والتأثيرات الكمومية الجديدة. كما أن هذه التكنولوجيا لا تُنتج فقط معادن ثنائية الأبعاد، بل يمكنها أيضا إنتاج سبائك معدنية أو مركبات غير بلورية، وبتحكم ذري مذهل في السُمك، أي يمكن إنتاج مواد بطبقة واحدة أو طبقتين أو 3 طبقات.
يضيف قاسم: "هذه المعادن الثنائية الأبعاد ليست رقيقة فحسب، بل إنها أفضل من نسخها الضخمة. إذ يُوصل البزموث الكهرباء بشكل أفضل بـ10 مرات كطبقة واحدة. كما تُظهر سلوكيات كمومية غريبة قد تُحدث ثورة في أجهزة الاستشعار والحوسبة الكمومية.
والأفضل من ذلك كله، أن هذه الطريقة تُناسب معادن متعددة مثل الغاليوم والقصدير والرصاص، مما يفتح الباب أمام شاشات قابلة للطي غير قابلة للكسر، ومحفزات الهيدروجين الأخضر، أو حتى طلاءات تمنع صدأ الأقمار الاصطناعية في الفضاء".
ولضمان استفادة المجتمع على نطاق واسع من المعادن الثنائية الأبعاد، يجب على الباحثين وصانعي السياسات إعطاء الأولوية للتعاون المفتوح، إلا أن مخاطر مثل النفايات الإلكترونية السامة تتطلب حلولا استباقية مثل تصميم مواد قابلة لإعادة التدوير.
يختتم قاسم: "من خلال الموازنة بين الأمور السابقة، يمكن للمعادن الثنائية الأبعاد أن تُسهم في تحقيق تقدم مستدام إذا اختارت البشرية المصلحة العامة على الربح".
وكما كانت شرارة الغرافين بداية لثورة مذهلة، قد تكون هذه "الشطيرة الذرية" هي المفتاح الذي يفتح أبوابا لم نتوقعها في عالم العلم والتكنولوجيا.
هاشتاغز
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
الجزيرة
منذ يوم واحد
- الجزيرة
لأول مرة.. علماء يحولون الرصاص إلى ذهب لحظيًا
لطالما حَلَم الناس قديمًا -وربما في أيامنا الحالية أيضًا- بتحويل المعادن إلى ذهب، وهو الحلم الذي سعى "الخيميائيون" القدامى إلى تحقيقه، لكن محاولاتهم لم تكلل بالنجاح مطلقا. وانتقالًا من القرن الثاني عشر إلى القرن الحالي، تحديدا 7 مايو/أيار 2025، تمكن مجموعة من الباحثين في مختبر فيزياء الجسيمات "سيرن" بسويسرا من إنتاج عدد ضئيل من جزيئات الذهب باستخدام الرصاص، باستخدام "مصادم الهدرونات الكبير"، الأكبر في العالم. وتعد هذه التجربة الأولى من نوعها التي ترصد إنتاج الذهب وتحلله معمليًا، بحسب الدراسة التي نشرت في دورية "فيزيكال ريفيو سي". هل نحن بصدد تحويل المعادن إلى ذهب؟ يُصَرِّح الدكتور مصطفى بهران -الأستاذ الزائر في قسم الفيزياء بجامعة كارلتون الكندية- للجزيرة نت: "الهدف الرئيس من هذا العمل دراسة أنماط انبعاث البروتونات في هذه التصادمات من أجل تعزيز فهم الفيزياء الأساسية، ما قد يساعد في تطوير النظريات المتعلقة بالتفاعلات النووية وإنتاج الجسيمات". ويضيف بهران "البحث تقني تمامًا ولا توجد له تطبيقات مباشرة خارج المعرفة الفيزيائية، ولا يرتبط البحث كذلك بهدف إنتاج الذهب". جدير بالذكر أن الرصاص يحتوي على 82 بروتونًا، بينما يضم الذهب 79 بروتونًا، ومن أجل أن يتحول الرصاص إلى ذهب، ينبغي أن يفقد الرصاص 3 بروتونات، الأمر الذي يحتاج إلى طاقة شديدة القوة، وهو الدور الذي مارسه "مصادم الهدرونات الكبير". تصادمات من نوع مُخْتَلِف تعتمد طريقة عمل مصادم الهدرونات الكبير على توجيه أشعة تحوي الهدرونات (جسيمات تحت ذرية غالبًا ما تتكون من البروتونات أو النيوترونات التي تمتلك قدرًا هائلًا من الطاقة) بسرعة مقاربة لسرعة الضوء، وهو سبب تسمية هذه الآلة باسم "مسارع الجزيئات". ويُطلِق الجهاز حزمتي أشعة من هذا النوع حيث يعمل الباحثون على توجيههما -أي حزمتي الأشعة- باستخدام المجالات المغناطيسية إلى أن يكونا في اتجاه معاكس، الأمر الذي يؤدي إلى تصادم الجزيئات. يوضح بهران أن التصادم الحادث في هذه الدراسة "تصادمات طرفية، بمعنى أن النوى (جمع نواة) لا تصطدم مباشرة ببعضها بعضًا، وبدلًا من ذلك تتفاعل من خلال القوى الكهرومغناطيسية دون أن تتلامس، إن صح التعبير". ومرور هذه الأيونات بعضها بالقرب من بعض يُطلق قدرًا من الطاقة في صورة فوتونات، وتسبب هذه الفوتونات عالية الطاقة فقدان نواة ذرات الرصاص -المستخدمة في التجربة- لثلاثة بروتونات، مما يعني التَحَوّل إلى ذرات من الذهب. ذهب غير مستقر ما بين العامين 2015 و2018 رصد الباحثون كمية ذرات الذهب المتكونة جراء هذه التصادمات الطرفية، فقدروها بنحو 86 مليار ذرة من الذهب، أو ما يساوي نحو 29 تريليون من الغرام الواحد (1/29 تريليون غرام). واتسمت هذه الذرات بانعدام استقرارها، فقد رصد الباحثون بقاء ذرات الذهب مدة ميكروثانية واحدة قُبيل اصطدامها بمكونات مصادم الهدرونات، أو تكسرها إلى جزيئات أخرى. تتميز هذه الدراسة بأنها الأولى التي استطاعت رصد إنتاج ذرات الذهب وتحليلها معمليًا، نظرًا لوجود جهاز مخصص للكشف عن هذه الذرات ضئيلة الكم، بحسب بوليانا دمتريفا عالمة الفيزياء النووية الروسية. فهم أكبر لكوننا الكبير ويرى بهران هذه التجربة تمثل خطوة جديدة نحو فهم عالمنا بصورة أفضل من خلال الكشف عن مزيد من خبايا علم الفيزياء. إعلان ويضيف "استنادًا إلى هذا البحث يمكن استكشاف عدة اتجاهات محتملة مستقبلًا، منها تحسين النماذج النظرية لفهم انبعاث البروتون في هذه التصادمات، سواء بالأعمال النظرية الأساسية أو المحاكاة". ويوضح بهران أنه "يُمكن أيضًا إجراء مزيد من التجارب التي تتضمن تصادمات مماثلة باستخدام طاقات مختلفة أو أنواع مختلفة من النوى، لمعرفة كيفية تَغَيُر أنماط انبعاث البروتون، وقد يسهم البحث في تطور فهمنا للفيزياء الفلكية". الاستكشافات العلمية الكبرى تبدأ بأحلام بدأت محاولات تحويل المعادن مثل الرصاص والنحاس قديمًا، مارسها من أُطْلِق عليهم آنذاك الخيميائيون، والخيمياء تمثل نوعًا من العلوم الأولية التي اعتمدت على المزج بين التجريب والفلسفة، وظهرت هذه الممارسات مبكرًا في مصر القديمة واليونان، ثم الدولة الإسلامية، إلى أن وصلت إلى أوروبا وذاع صيتها في القرن الثاني عشر. وحاول الخيميائيون تحويل المعادن إلى ذهب عبر مزج عدد من المواد وتسخينها فيما يُشبه العمليات الكيميائية المتعارف عليها، مما يجعل الخيمياء تمثل خطوة أولى نحو علم الكيمياء. وحلَم الخيميائيون -إلى جوار إنتاج الذهب- بالوصول إلى حجر المعرفة (حجر الفيلسوف) الذي اعتقدوا أنه سيساعدهم في الكشف عن سر الشباب والصحة الأبديَّتيْن، وهو بالطبع ما لم يتمكنوا من تحقيقه.
جريدة الوطن
منذ 7 أيام
- جريدة الوطن
ســـحـــابـــــة نجــمـــيــــــة ضـــــخـــمـــة
اكتشف فريق دولي من العلماء، بقيادة جامعة روتجرز في ولاية نيوجيرسي الأميركية، سحابة هيدروجينية جزيئية يُحتمل أن تكون مُشكّلة للنجوم، وهي واحدة من أكبر الهياكل المنفردة في السماء، ومن بين أقربها إلى الشمس، والأرض بالتبعية، على الإطلاق. وتقول الدكتورة بليكسلي بوركهارت، الأستاذة المشاركة في قسم الفيزياء والفلك بجامعة روتجرز والتي ساهمت في إعداد الدراسة، في تصريحاتها للجزيرة نت: «يفتح هذا الاكتشاف آفاقا جديدة لدراسة الكون في نطاق السحب الجزيئية، ولمزيد من الاستكشافات التي كنا غافلين عنها، كما يفتح نافذة جديدة على كيفية تشكل النجوم والكواكب، وكيف تتكوّن مجرتنا». أطلق العلماء على سحابة الهيدروجين الجزيئية المكتشفة اسم «إيوس»، ويتعلق بإلهة في الأساطير اليونانية القديمة تُجسّد الفجر. ووفقا لبيان جامعة روتجرز، فقد تم الكشف عن تلك الكرة هلالية الشكل، التي ظلت غير مرئية للعلماء لفترة طويلة، من خلال البحث عن مُكوّنها الرئيسي وهو الهيدروجين الجزيئي. وتقول الدكتورة بليكسلي بوركهارت في تصريحات خاصة للجزيرة نت: «ظلت سحابة إيوس مختبئة لفترة طويلة لأنها لا تظهر بالطريقة المعتادة التي يكتشف بها علماء الفلك السحب في الفضاء، حيث إنه في معظم الأحيان، يبحث العلماء عن غاز يُسمى أول أكسيد الكربون لرصد السحب المُشكّلة للنجوم». وتضيف «لكن سحابة إيوس مختلفة، فهي تتكون في الغالب من جزيئات هيدروجين لا تلمع بالطريقة المعتادة، وتحتوي على نسبة ضئيلة جدا من أول أكسيد الكربون، وبالتالي فإن هذا جعلها شبه غير مرئية للتلسكوبات التقليدية».
الجزيرة
١٤-٠٥-٢٠٢٥
- الجزيرة
أعشاب البحر.. مخازن الكربون التي تتعرض للتآكل
الأعشاب البحرية هي نباتات بحرية مزهرة تنمو في المياه الضحلة في أجزاء شتى من العالم، من المناطق المدارية إلى الدائرة القطبية الشمالية، وتؤدي هذه النباتات البحرية البسيطة دورا بالغ الأهمية باعتبارها أحواضا كبيرة للغازات الدفيئة، لكن مساهمتها المهمة في التخفيف من تغير المناخ معرضة للخطر. ومن خلال تحليلات قاعدة بيانات عالمية شاملة تضم أكثر من 2700 عينة من تربة الأعشاب البحرية وجد الباحثون في دراسة نشرت بمجلة "نيتشر" أنها تحتجز كميات كبيرة ولكن متفاوتة من المواد العضوية تحت شفراتها الرقيقة، وتعمل كحواجز طبيعية ضد ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. تزدهر أعشاب البحر بالقرب من السواحل، وغالبا ما تواجه التلوث، وجريانا مفرطا للمغذيات وزيادة في الرواسب. ورغم هذه التحديات، تواصل هذه الأعشاب امتصاص الكربون وتخزينه في جذورها والتربة المحيطة بها. كما توفر موائل رئيسية للأسماك، وتسهم في حماية السواحل من التآكل. وتعتمد العديد من الكائنات البحرية عليها للتكاثر والتغذية، مما يجعل الحفاظ عليها أمرا ضروريا للحفاظ على التنوع البيولوجي. ورغم أنها تشغل جزءا صغيرا من قاع البحر، فإنها تحتفظ بنسبة كبيرة من الكربون في تربتها وكتلتها الحيوية، وقد تخزن كربونا عضويا أكثر مما تخزنه بعض الغابات على اليابسة. وتشير الدراسة إلى أن مساهمة الأعشاب البحرية المهمة في التخفيف من تغير المناخ معرضة للخطر لأنها آخذة في الانخفاض عالميا، وقد يؤدي فقدانها إلى تفاقم تغير المناخ من خلال تقليل قدرة عزل الكربون، مما يؤدي إلى تقليص الحاجز الطبيعي المحدود بالفعل ضد انبعاثات غازات الاحتباس الحراري المتزايدة. وأظهرت الدراسة أن الطبقة العليا من تربة الأعشاب البحرية بعمق 4 سنتيمترات تحتوي في المتوسط على نحو 24.2 طنا متريا من الكربون العضوي لكل 9 كيلومترات تقريبا. وكان يُعتقد سابقا أن هذه الأعشاب تكون مخزونا كبيرا من الكربون فقط في مناطق أو أنواع محددة. لكن البيانات الجديدة تُظهر أن حتى الأنواع الصغيرة أو قصيرة العمر قد تخزن كميات كبيرة من الكربون تحت سطح التربة في بعض المواقع، مما يعني أن التدابير الوقائية يجب أن تشمل حتى المناطق ذات الأعشاب القليلة أو الأقل كثافة. وأشار مؤلفو الدراسة إلى أن النباتات الدائمة ذات الأنظمة الجذرية المتينة غالبا ما تُراكم كميات أكبر من الكربون المدفون. ومع ذلك، فإن الأنواع سريعة النمو في البيئات الغنية بالرواسب يمكن أن تجمع أيضا كميات كبيرة من الكربون إذا توفرت الظروف المناسبة. نظام بيئي يتآكل تشهد مواطن الأعشاب البحرية تراجعا عالميا نتيجة التنمية الساحلية وتلوث المياه والصيد باستخدام شباك الجر القاعية، مما يُؤثر سلبًا على قدرتها على تخزين الكربون. ويشير برنامج الأمم المتحدة للبيئة إلى أن الأعشاب البحرية هي من أقل النظم البيئية حماية، وهي تتناقص على مستوى العالم منذ عقود. وتشير التقديرات الأخيرة إلى أن 7% من هذه الموائل البحرية الرئيسية يتم فقدانها في جميع أنحاء العالم سنويا، وهو ما يعادل فقدان مساحة ملعب كرة قدم من الأعشاب البحرية المفقودة كل 30 دقيقة. وعندما تموت النباتات، تصبح طبقاتها المدفونة عرضة للأمواج والتيارات، مما يؤدي إلى تأكسد المادة العضوية وإطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، مما يُشكل تحديا حقيقيا أمام جهود الحد من الانبعاثات. وقد تترتب على فقدان هذه الموائل تكلفة اقتصادية عالية، إذ تشير التقديرات إلى أن انبعاثات الكربون الناتجة عنها قد تكلّف نحو 213 مليار دولار عند احتساب 'التكلفة الاجتماعية' للانبعاثات. وتشير الدراسة إلى أن فقدان وتدهور الأعشاب البحرية وغيرها من المركبات العضوية المتطايرة يعرض أيضا منظمة الكربون المخزنة في التربة الأساسية للخطر، حيث قد يتآكل بعضها ويعاد تعليقها وتمعدنها، مما يحول مخزونات منظمة الكربون المتراكمة على مدى قرون إلى مصدر جديد لانبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري. ويتفق العلماء على أن رسم خرائط دقيقة لتوزيع الأعشاب البحرية أمر حيوي، خاصة أن العديد من المروج تظل غير مكتشفة في المناطق النائية، ولا توثّق بعض الأنواع إلا بشكل محدود. ويساعد توفر صورة أوضح على توجيه جهود الحماية بفعالية أكبر.
