.jpg)
نجح باحثون في فيينا في جعل الجرافين أكثر قابلية للتمدد عن طريق تموجاته، مما أدى إلى حل تناقضات الصلابة وتمكين التطبيقات التكنولوجية المرنة.
تكشف القياسات فائقة النظافة والخالية من الهواء عن خاصية جديدة للجرافين.
يُطلق على الجرافين غالبًا اسم "المادة المعجزة" نظرًا لقوته الميكانيكية الفائقة وقدرته العالية على التوصيل، مما يجعله مثاليًا للعديد من التطبيقات التكنولوجية. وقد حقق فيزيائيون في جامعة فيينا، بقيادة جاني كوتاكوسكي، إنجازًا كبيرًا: إذ تمكنوا من خلال تمويج الجرافين مثل الأكورديون، من زيادة قابليته للتمدد بشكل ملحوظ لأول مرة.
يفتح هذا الابتكار الباب أمام إمكانيات جديدة حيث تكون المرونة أساسية، كما هو الحال في الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء. وبالتعاون مع جامعة فيينا للتكنولوجيا، اكتشف الفريق الآلية الدقيقة وراء هذا التأثير، ونُشرت نتائجهم في مجلة "فيزيكال ريفيو ليترز".
الخصائص الفريدة للمواد ثنائية الأبعاد
تم تأكيد الجرافين تجريبيًا لأول مرة في عام 2004، مما يمثل اكتشاف فئة جديدة تمامًا من المواد تُعرف باسم المواد الصلبة ثنائية الأبعاد. تتكون هذه المواد من طبقة واحدة فقط من الذرات، مما يمنحها خصائص غير عادية وقيّمة. على سبيل المثال، يُعرف الجرافين بموصليته الكهربائية الاستثنائية، ولكنه أيضًا شديد الصلابة. تأتي هذه الصلابة من بنيته الذرية الشبيهة بقرص العسل. قد يبدو منطقيًا أن إزالة الذرات وروابطها ستجعل المادة أكثر ليونة، إلا أن الدراسات السابقة أسفرت عن نتائج متضاربة، إذ أظهر بعضها انخفاضًا طفيفًا في الصلابة، بينما أظهر بعضها الآخر زيادة ملحوظة.
صور المجاهر المستخدمة. اليسار: مجهر نيون ألترا ستيم 100 الإلكتروني النافذ الماسح، بارتفاع 3 أمتار، من شركة بروكر. اليمين: منظر للحجرة الخالية من الهواء التي تحتوي على مجهر AFSEM من شركة كوانتوم ديزاين.
وقد تجلّت هذه التناقضات من خلال قياسات جديدة أجراها باحثون من المجموعة التي يقودها جاني كوتاكوسكي في جامعة فيينا. أُجريت التجارب باستخدام أجهزة متطورة تتشارك جميعها في بيئة فائقة النقاء خالية من الهواء. وهذا يسمح بنقل العينات بين الأجهزة المختلفة دون التعرض للهواء المحيط.
يوضح جاني كوتاكوسكي: "هذا النظام الفريد الذي طورناه في جامعة فيينا يسمح لنا بفحص المواد ثنائية الأبعاد دون أي تداخل". ويضيف وائل جودي، المؤلف الرئيسي للدراسة: "لأول مرة، أُجريت هذه التجربة مع عزل الجرافين تمامًا عن الهواء المحيط والجسيمات الغريبة التي يحتويها. لولا هذا الفصل، لاستقرت هذه الجسيمات بسرعة على السطح، مما أثر على إجراءات التجربة والقياسات".
تمثيل تخطيطي للبنية الذرية للجرافين. تُمثل الكرات السوداء ذرات الكربون، بينما تُمثل القضبان الرمادية الروابط بينها. تُمثل المناطق الرمادية المُعلَّمة الفراغات، التي تُسبب التموج الظاهر في المنظر الجانبي.Credit:Wael Joudi
اكتشاف تأثير الأكورديون
في الواقع، أدى التركيز على النظافة الدقيقة لسطح المادة إلى اكتشاف ما يسمى بتأثير الأكورديون فيما يتعلق بصلابة الجرافين: حيث يؤدي إزالة ذرتين متجاورتين إلى انتفاخ ملحوظ للمادة المسطحة في البداية.
توضيح لتأثير الأكورديون. المادة ذات التموج الناتج عن الفراغات تُسطّح بالتمدد الميكانيكي. يؤدي انخفاض القوة المطلوبة إلى تليين الجرافين بشكل ملحوظ.Credit:Wael Joudi
يؤدي تكوّن عدة انتفاخات معًا إلى تموّج في المادة: "يمكنك تخيلها كآلة الأكورديون. عند فصلها، تصبح المادة المتموجة مسطحة، مما يتطلب قوة أقل بكثير من شد المادة المسطحة، وبالتالي تصبح أكثر قابلية للتمدد"، يوضح وائل جودي. تؤكد عمليات المحاكاة التي أجراها الفيزيائيان النظريان ريكا ساسكيا وينديش وفلوريان ليبيش من جامعة فيينا للتكنولوجيا كلاً من تكوّن الموجات وقابلية التمدد الناتجة عنها.
أظهرت التجارب أيضًا أن الجسيمات الغريبة على سطح المادة لا تكبح هذا التأثير فحسب، بل تؤدي إلى نتيجة عكسية. وتحديدًا، يجعل تأثيرها المادة تبدو أكثر صلابة، وهو ما يفسر أيضًا تناقضات الماضي. ويختتم وائل جودي قائلاً: "يُظهر هذا أهمية بيئة القياس عند التعامل مع المواد ثنائية الأبعاد. تفتح هذه النتائج آفاقًا جديدة لتنظيم صلابة الجرافين، وبالتالي تمهد الطريق لتطبيقات محتملة".
المصدر