أخيرًا تم التقاط المرحلة المخفية من المادة بعد عقود من التنبؤات

تمكن العلماء أخيرًا من التقاط حالة خفية للمادة، وكشفوا عن مرحلة تم التنبؤ بها منذ فترة طويلة مع إمكانات كمومية مثيرة للاهتمام.

نجح باحثون من جامعة براون وكلية الهندسة بجامعة ميشيغان في تثبيت حالة مراوغة سابقًا للمادة والتي كانت موجودة فقط في النماذج النظرية.

باستخدام الجسيمات النانوية المصممة بعناية كوحدات بناء، أنشأ الفريق بنية مادية جديدة تحبس في حالة وسيطة عابرة بين اثنين من الترتيبات البلورية الأكثر شيوعًا الموجودة في المعادن. لا يوفر هذا الإنجاز نظرة جديدة حول كيفية تغيير المواد لبنيتها الداخلية فحسب، بل يكشف أيضًا عن خصائص بصرية غير عادية يمكن أن تكون مفيدة في يوم من الأيام. الحوسبة الكمومية وغيرها من تقنيات المعلومات الكمومية.

ونشرت النتائج في المجلة علوم.

وعلى نطاق أوسع، يوضح العمل استراتيجية جديدة قوية لتصميم مواد من جسيمات نانوية مصنوعة حسب الطلب، مما يفتح إمكانيات إنشاء مواد جديدة تمامًا ذات خصائص مخصصة.

وقال أو تشين، أستاذ الكيمياء المساعد في جامعة براون والمؤلف المقابل للبحث: “إن عملنا يشبه إلى حد ما الأطفال الذين يلعبون بمكعبات الليغو”. “نحن نقوم بتوليف فريد من نوعه مقياس النانو اللبنات الأساسية وتكديسها في هياكل مثيرة للاهتمام. وفي هذه الحالة، تمكنا من تثبيت هذه الهياكل الانتقالية النظرية وإظهار الخصائص البصرية الكمومية المهمة.

التقاط التحول البلوري الذي تم التنبؤ به منذ فترة طويلة

تنظم العديد من المعادن ذراتها بشكل طبيعي في واحدة من بنيتين بلوريتين: مكعبة مركزية الوجه (FCC) أو مكعبة مركزية الجسم (BCC).

في ترتيب لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC)، يتم تعبئة الجزيئات بإحكام قدر الإمكان. يحتوي كل مكعب على جزيئات في زواياه وفي وسط كل وجه. في ترتيب BCC، تحتل الجزيئات زوايا المكعب وموقعًا واحدًا في مركز المكعب. تعد هذه الأنماط من بين الترتيبات الذرية الأكثر شيوعًا الموجودة في المواد المعدنية.

يمكن لبعض المعادن التبديل بين هذه الهياكل عند تسخينها. الحديد، على سبيل المثال، يتغير من BCC إلى FCC عند 912 درجة مئوية. وقد اقترح العلماء عدة آليات محتملة لكيفية حدوث هذه التحولات.

أحد أشهر التفسيرات يسمى مسار نيشياما-فاسرمان. يتنبأ هذا النموذج بسلسلة من الهياكل الوسيطة المؤقتة التي تظهر كتحولات مادية من FCC إلى BCC. ولأن هذه الحالات الانتقالية غير مستقرة بطبيعتها، فقد كان من الصعب للغاية مراقبتها بشكل مباشر.

نجحت الدراسة الجديدة في إعادة إنشاء تلك المراحل الوسيطة بعيدة المنال باستخدام جسيمات الفضة النانوية المصممة خصيصًا.

يقول تيم مور، مؤلف مشارك في الدراسة وعالم أبحاث مساعد يعمل في مختبر شارون غلوتزر في جامعة ميشيغان: “لقد اهتم علماء المواد بكيفية التحكم في كمية FCC وBCC في معادنهم لفترة طويلة، ولكن كان من الصعب دراسة التحولات بين هذه المراحل لأنها غير مستقرة للغاية”. “إن القدرة على مراقبة هذه الهياكل تعد إنجازًا أساسيًا في علم المواد، وتمنحنا سيطرة أكبر على هندسة المواد النانوية.”

بناء مواد جديدة من الجسيمات النانوية المخصصة

ولإنشاء هذه المادة، قام تشين وزملاؤه بتصنيع جسيمات الفضة النانوية المعروفة باسم “mecons”. تشبه هذه الجسيمات المجسم الثماني المقتطع، وهو الشكل الذي يمكن اعتباره شكلًا يشبه الماس مع قطع زواياه، مما ينتج عنه بنية ذات 14 ضلعًا.

وفقًا لتشن، فإن الشكل مفيد بشكل خاص لأنه يقع بين الكرة والمكعب، وهما شكلان مترابطان معًا بطرق مختلفة جدًا.

ومن خلال ضبط درجة الحرارة أثناء عملية التوليف، أنتج الباحثون ميكونزًا تشمل مجموعة من الأشكال من الأكثر تقريبًا إلى الأكثر شبهًا بالمكعب. ثم تم تغليف الجزيئات بسلاسل جزيئية طويلة تعمل كموصلات لزجة، مما يساعدها على الارتباط معًا أثناء التجميع الذاتي.

سمح الفريق للجزيئات ذات الأشكال المختلفة بتنظيم نفسها في شبكات فائقة الجسيمات النانوية، ثم فحصوا الهياكل الناتجة.

ومن خلال الجمع بين الملاحظات التجريبية والمحاكاة الحاسوبية التفصيلية، وجد الباحثون أن الطلاءات الجزيئية اللزجة لعبت دورًا حاسمًا. لقد مكنت الجسيمات من ترتيب نفسها في نفس الهياكل الانتقالية التي تنبأ بها نموذج نيشياما-فاسرمان.

تم تنفيذ عمليات المحاكاة والنمذجة بالتعاون مع باحثين بقيادة شارون غلوتزر في جامعة ميشيغان.

قال مور: “يمكنك تصويرها كجسيمات مشعرة”. “إن الشعيرات مرنة بدرجة كافية بحيث تتمتع الجزيئات بمزيد من الحرية في التحرك، ولكنها أيضًا تتلاءم معًا بشكل جيد، مما يسمح للجزيئات بالتشابك معًا.”

السلوك البصري الكمي غير المتوقع

أظهرت الشبكات الفائقة للجسيمات الفضية النانوية التي تم إنشاؤها حديثًا خاصية أخرى مثيرة للدهشة.

عند إضاءتها بالضوء، أظهرت الهياكل علامات اقتران عميق وقوي بين الضوء والمادة، وهي ظاهرة تتأرجح فيها الإلكترونات الموجودة داخل جسيمات الفضة النانوية بالتزامن مع موجات الضوء وتصبح متشابكة ميكانيكيًا كميًا.

غالبًا ما يتم ملاحظة هذه الأنواع من التأثيرات البصرية الكمومية فقط عند درجات حرارة منخفضة جدًا. وفي المقابل، يبدو أن المادة المطورة حديثًا تظهر هذا السلوك في درجة حرارة الغرفة.

يمكن لهذه القدرة أن تجعل الهيكل نموذجًا قيمًا لتطوير المواد المستقبلية المستخدمة في الحوسبة الكمومية، وتقنيات الاستشعار، وتطبيقات المعلومات الكمومية الأخرى.

وقال تشين: “في أي وقت تكون فيه قادرا على تحديد مرحلة جديدة من المادة، ستظهر تطبيقات جديدة”.

المرجع: “تثبيت المراحل الانتقالية للشبكات الفائقة من خلال التحكم في شكل البلورات النانوية الفضية” بقلم ياسوتاكا ناجاوكا، تيموثي سي. مور، أرسيني إيبيشين، زينيانغ ليو، تونغ كاي، نا جين، كين سيونغمين هونغ، بيتر ساغي، أنكاي وانغ، يوزي ليو، سويون هوانغ، يوسونغ باي، شنغلي زو، رويبنغ لي، ستيفاني رايش، وشارون سي. غلوتزر، وأو تشين، 28 مايو 2026، علوم.
دوى: 10.1126/science.ady6472

تم دعم البحث بمنح متعددة من المؤسسة الوطنية للعلوم (DMR-1943930، CHE-2203700، EAR−2223273، CBET-2230729، CBET-2230891، 2243104، DMR 140129، 2138259، 2138286، 2138307، 2137603، 2138296) ووزارة الطاقة (DE-SC0012704، DOE-NNSA، DE-NA-0003975).

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.