شكل جديد من الكربون النقي يبهر العلماء ويحيِّرهم

بقلم: وايت غيبس، في ريتشموند

ترجمة: صفاء كنج

يقول باحثون إن “حادثًا سعيدًا” أوصلهم إلى اكتشاف شكل جديد ومستقر من الكربون النقي Pure Carbon المصنوع من مواد أولية رخيصة. ومثل الألماس والغرافين، وهما مظهران آخران للكربون، يبدو أن للمادة الجديدة خواص فيزيائية استثنائية؛ فهي أقسى من الفولاذ وموصلة بالقدر نفسه تقريباً للكهرباء وعاكسة مثل مرآة من الألومنيوم المصقول. وربما الأكثر إثارة للدهشة، أن المادة تبدو ذات خاصية مغناطيسية حديدية Ferromagnetic، إذ تتصرف مثل مغناطيس دائم في درجات حرارة تصل إلى 125 درجة سيليزية، وهي خاصية تلاحظ لأول مرة في الكربون. هذا الاكتشاف الذي أعلنه الفيزيائي جول تيريْن Joel Therrien من جامعة ماساتشوستس University of Massachusetts بلويل في 4 نوفمبر 2019، في ريتشموند بولاية فيرجينيا، خلال الندوة الدولية حول المجموعات والمواد النانوية International Symposium on Clusters and Nanomaterials، قد يؤدي إلى صنع طلاءات خفيفة الوزن ومنتجات طبية وأجهزة إلكترونية جديدة.

أثار كلام تيريْن حماسة وحذر العشرات من الباحثين الذين حضروا اللقاء. وقالت تشيان وانغ Qian Wang، عالمة الفيزياء التطبيقية من جامعة بكين Peking University في العاصمة الصينية: “بمجرد نشر العمل وتكراره من قبل آخرين، فلا شك في أنه سيثير الكثير من الاهتمام”. وأشارت إلى أن الكربون أخف بكثير من العناصر المغناطيسية الأخرى مثل المنغنيز والنيكل والحديد. إضافة إلى ذلك، فإن الكربون غير سام في الجسم. وأضافت: “إذا كانت لديه خاصية مغناطيسية، فقد يكون مفيدًا جدًا لصنع مستشعرات حيوية أو حوامل لتوصيل الدواء” التي يمكن مغناطيسيًا التحققُ منها أو توجيهها إلى الأنسجة المريضة.

يقول روبرت ويتن Robert Whetten، عالم المواد من جامعة نورذرن أريزونا Northern Arizona University بتاكسن، إنه “مقتنع بالفعل بأن لديهم شيئًا ما”. وهو يتذكر أنه في منتصف ثمانينات القرن العشرين، عندما أنشأ العلماء لأول مرة كريات “كرة بوكي” Buckyball المصنوعة من 60 ذرة كربون، “كان هناك المقدار نفسه من الشك، على الرغم من كل الأدلة”. لكنه يشير أيضًا إلى أن الادعاءات السابقة عن مغناطيسية الكربون النقي، مثل تلك التي نشرت في مجلة نيتشر Nature في عام 2001، انهارت عندما عُثر على شوائب لاحقًا في العينات.

لم يصنع الباحثون سوى أغشية رقيقة من المادة التي درسوها باستخدام المجاهر الإلكترونية والمقاييس الطيفية بالأشعة السينية X-ray spectrometers. يقول بوليكيل أجايان Pulickel Ajayan من جامعة رايس Rice University في هيوستن بتكساس: “هناك حاجة إلى أبحاث إضافية لتحديد الخصائص. نحن نحاول أن نكون حذرين جدا”. ويقول إنه والباحثين الآخرين لم يروا حتى الآن أي علامة على وجود شوائب قد تفسر خواص المادة. واستنادًا إلى النماذج النظرية والبيانات التحليلية على حد سواء، يعتقدون أنها تتكون من طبقات متموجة Corrugated من ذرات الكربون المترابطة مكدسة بالتوازي مثل قضبان ألواح الغسيل القديمة، مع روابط إضافية بين الطبقات.

يقول سوميو إيجيما Sumio Iijima، خبير المواد النانوية من جامعة ميجو Meijo University بناغويا في اليابان، المشهور باكتشافه عام 1991 أنابيب الكربون النانوية، وهي مظهر مادي Allotrope آخر من مظاهر الكربون، إن البيانات المحدودة المقدمة “ليست جيدة بما يكفي” لإقناعه بأن المجموعة اكتشفت مظهراً جديداً للكربون. وهو يرغب في أن يدرس الفريق الترتيب البلَّوري بالأشعة السينية X-ray crystallography، وهي التقنية الأمثل لمعرفة تركيب المادة، على عينات أكبر.

يقول تيريْن إن هذا الاكتشاف تحقق خلال محاولة فاشلة لتوليف مادة البنتغرافين Pentagraphene، وهي طبقة رقيقة من ذرات الكربون مرتبطة بحلقات خماسية كان العلماء يتوقعون اكتشافها ولكن ذلك لم يحصل على الإطلاق. لقد بُنيت فكرته على استغلال تقنية تُعرف باسم “الإحباط الهندسي” Geometrical frustration. وضع محفز، هو ورقة من رقائق النحاس، على ركازة في وسط فرن ترسيب البخار الكيميائي Chemical vapor deposition (اختصارًا: الفرن CVD) وسخَّنه إلى نحو 800 درجة سيليزية. ولكن بدلاً من ضخ غاز تغذية من المواد الهيدروكربونية الصغيرة المعتادة، مثل الميثان Methane، تحقن سلائف Precursor أكثر تعقيدًا: 2,2 ثنائي ميثيل البوتان 2,2 dimethylbutane، وهو مركب بتروكيميائي رخيص يتوفر بالطن. ونظراً لأنه هكسان  Hexaneمتفرع، فإن المادة الكيميائية تحتوي على ست ذرات كربون مرتبة على طول فرعها الأساسي المنحني.

تُفكك درجات حرارة الفرن CVD المرتفعة عادةً الهيدروكربونات المعقدة الموجودة على سطح المحفز إلى ذرات أو جزيئات بسيطة تنظّم بعدها نفسها في رقائق من الغرافين أو بلَّورات مثل الألماس. لكن تجارب سابقة دفعت تيريْن إلى الاعتقاد أن فرع الهكسان الأعوج سيثبت وسيفرض قيدا هندسيًا من شأنه أن يجبر مجموعات الكربون ”المحبَطة“ Frustrated على الارتباط على شكل خلايا بنتغرافين خماسية الشكل.

لم تفعل الذرات ذلك وإنما استقرت لتشكل بنية مختلفة. يقول تيريْن إنه في 13 نوفمبر 2017، بعد محاضرة مسائية، عاد إلى مختبره لفحص فرنه ولاحظ انبعاث رائحة القطران Tar. كان الفرن مغطى بالأسود من الداخل. لكن الرقائق النحاسية كانت مغطاة بما يشبه الفضة المصقولة. ويقول: “لقد تسمَّرتُ في مكاني. قضيت حرفيًا نصف ساعة أحدق فقط في هذا، محاولاً فهم ما حدث”.

بعد عامين من التجربة مع هكسانات أخرى متفرعة Branched hexanes، تمكن الفريق بشكل موثوق به مرارًا وتكرارًا، من توليف المادة في أفلام يصل سمكها إلى ميكرون واحد بعرض عدة سنتيمترات. يقول بورو جينا Puru Jena، أحد المتعاونين في جامعة فرجينيا كومنولثVirginia Commonwealth University بريتشموند، إن نماذج الديناميات الجزيئية تنبئ بأن ذرات الكربون تشكل طبقات متموجة مغطاة بحلقات تضم ست ذرات أو 12 ذرة وترتبط ببعضها بروابط تساهمية Covalent bonds. في المقابل، يتكون الغرافيت من طبقات كربون مسطحة تنزلق بحرية عن بعضها بعضا.

يقول أجايان إن بيانات الأشعة السينية والمجهر الإلكتروني تدعم البنية المتوقعة، وإن هذه البيانات أكدت أيضًا أمراً آخر توقعه جينا: أن الروابط في المادة تتشكل بواسطة إلكترونات مشتركة في مزيج من الأغلفة المدارية المعينة – ما يسميه الكيميائيون روابط زوجية sp² وروابط فردية sp³. تترك الروابط الزوجية sp² الإلكترونات “غير مشتركة في أي رابط ومعلقة نوعاً ما”، مما يسهل اصطفاف دورانها المغزليSpin ، كما يقول جينا، ويضيف: “هذا يمنحك خاصية المغناطيسية الحديدية”.

خلال الاجتماع، وضَّح تيريْن المغناطيسية من خلال شريط فيديو أظهر رقائق مليمترية من المادة معلقة في قطرة ماء. وعندما مرَّر ببطء مغناطيساً صغيراً فوق الماء، تبعته الرقائق ذهابًا وإيابًا. ما زال الأمر الأكثر إثارة للدهشة قوله إن المادة تظل مغناطيسية حتى في درجات الحرارة المرتفعة التي تصل إليها المحركات والحواسيب عادة لدى تشغيلها.

تضاف المغناطيسية إلى مجموعة من الخصائص التي لم يسبق أن رأيناها من قبل في شكل من الكربون النقي. وتشمل صلابة هائلة تنتج على الأرجح من الروابط التي تجمع بين الطبقات المجاورة. يقول تيريْن: “لقد حاولنا خدشها بصوف فولاذي، فلم يعلق عليه شيء. الشيء الوحيد الذي يمكننا التحقق من أنه فعلاً خدشها هو قلم ألماسي”. على الرغم من أن المجموعة لم تقسْ بعد مقاومة شد Tensile strength المادة، فإن حقيقة أن صفائح متناهية الرقة تتماسك معًا بحجم مليمتر تشير إلى أنها قد تكون بمثل قوة بعض المعادن.

ثم هناك مظهرها الشبيه بالمرآة، كما بينت الصور التي عرضها تيريْن خلال الاجتماع. تشير قياسات الفريق إلى أن الرقاقة، حتى وهي فقط بسماكة 50 نانومترًا، تعكس أكثر من 90% من الضوء الوارد بأطوال موجية Wavelengths تتراوح ما بين الأشعة فوق البنفسجية البعيدة وحتى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. هذه السمة قد تجعلها طبقة عاكسة مفيدة، أكثر دواما من الألومنيوم القياسي، لمرايا آلات الكاميرات والتلسكوبات.

لقد تبين أن الموصلية الكهربائية لديها أقل مما لدى الفولاذ. لكن لديها أيضا خصائص إلكترونية أخرى. يؤدي تلدين المادة عن طريق تسخينها ببطء إلى 1,000 درجة سيليزية إلى تعتيم لمعانها وتحويلها إلى شبه موصلة مع فجوة نطاق Band gap – وهي الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترون – على غرار طاقة السيليكون غير المتبلور Amorphous silicon التي يمكن أن تحول الضوء إلى كهرباء. هذا يجعلها مادة مرشحة لاستخدامها في الخلايا الضوئية، مثلما يقترح تيريْن.

يبدي تيريْن تفاؤلاً بشأن الإمكانات الطويلة الأجل للإحباط الهندسي لتوليف مظاهر جديدة للكربون والعناصر الأخرى. ويقول: “حتى لو نجح الأمر فقط مع الكربون، فإن حقيقة وجود مئات من العناصر المختلفة التي قد تكون قادرة على تصنيعها باستخدام هذا النهج سيفتح المجال على نطاق واسع”.

لم تستقر المجموعة بعد على اسم المادة الغامضة. جينا يسميها يوكربون U-carbon. لكن تيريْن يسميها أدامنتيا Adamantia، كما ألهمه خيميائيو العصور الوسطى الذين سعوا دون جدوى إلى الحصول على حجر “الأدمنت” Adamant الذي لا يمكن كسره أو تطويعه، وهي كلمة ذات أصل يوناني.

© 2020, American Association for the Advancement of Science. All rights reserved.