مِذْيَب القوس في مختبر يونغ يقوم بتوليف ثنائي بوريد المنغنيز. المنبع: براين بوشير
طور علماء الكيمياء في جامعة ألباني مركبًا عالي الطاقة قد يُحوّل وقود الصواريخ ويُحسّن كفاءة السفر إلى الفضاء. عند إشعاله، ينتج هذا المركب طاقة أكثر بكثير لكل وحدة وزن وحجم مقارنة بالدافعات الحالية.
بالنسبة للصواريخ، يعني هذا أن كمية وقود أقل ستكون مطلوبة لتحقيق نفس مدة المهمة أو سعة الحمولة، مما يترك مساحة أكبر للمعدات واللوازم الأساسية. نُشِر البحث في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.
قال مايكل يونغ، الأستاذ المساعد في الكيمياء والذي قاد عمل المختبر:
«في السفن الصاروخية، المساحة ثمينة للغاية. يجب تعبئة كل بوصة بكفاءة، وكل شيء على متن الطائرة يجب أن يكون خفيفًا قدر الإمكان. خلق وقود أكثر كفاءة باستخدام مركبنا الجديد يعني أن مساحة تخزين الوقود ستكون أقل حاجة، مما يحرّر مكانًا للمعدات، بما في ذلك الأدوات المستخدمة في الأبحاث. في رحلة العودة، قد يعني هذا توفر مساحة أكبر لإحضار عينات إلى الوطن.»
طالب الدكتوراه في جامعة ألباني جوزيف دون يُعد مذيب القوس لتوليف ثنائي بوريد المنغنيز. المنبع: براين بوشير
المركب، ثنائي بوريد المنغنيز (MnB2)، يحتوي كثافة طاقة أعلى بأكثر من 20% حسب الوزن وحوالي 150% حسب الحجم مقارنةً بالألمنيوم، الذي يُستخدم حاليًا في معزّزات الصواريخ الصلبة. على الرغم من قوته، فهو مستقر بشكل ملحوظ ولا يشتعل إلا عند تعرضه لمصدر إشعال مثل الكيروسين.
إلى جانب دفع الصواريخ، يظهر الهيكل القائم على البورون لثنائي بوريد المنغنيز إمكانيات واسعة النطاق. تشير أعمال مختبر يونغ إلى أنه قد يقوّي المحوّلات الحفزية في السيارات ويعمل كعامل حفّاز لتفكيك البلاستيك.
يتطلب صنع الحرارة حرارة
ينتمي ثنائي بوريد المنغنيز إلى مجموعة من المركبات الكيميائية التي كان يُشتبه طويلاً في امتلاكها خصائص غير عادية، لكن التقدم في دراستها كان محدودًا بسبب صعوبة إنتاج المادة فعلًا.
قال جوزيف دون، طالب الدكتوراه الذي يعمل مع يونغ:
«بدأت ثنائيات البوريد تحظى بالاهتمام في ستينيات القرن العشرين. منذ تلك النظرات الأولى، تسمح لنا التقنيات الجديدة الآن فعليًا بتوليف مركبات كيميائية كانت تُفترض وجودها فقط.»
النموذج الجزيئي لثنائي بوريد المنغنيز. المنبع: براين بوشير
«بما نعرفه عن العناصر في الجدول الدوري، كنّا نشتبه أن ثنائي بوريد المنغنيز سيكون غير متماثل بنيويًا وغير مستقر — عوامل تجعل منه عالي الطاقة — لكن حتى وقت قريب، لم نكن نستطيع اختباره لأنه لم يكن ممكنًا صنعه. إن توليف ثنائي بوريد المنغنيز النقي بنجاح هو إنجاز مثير بحد ذاته. والآن، يمكننا اختباره تجريبيًا واكتشاف طرق جديدة لاستخدامه.»
يتطلب إنتاج ثنائي بوريد المنغنيز حرارة شديدة، تُولّد بواسطة جهاز يُعرف باسم «مِذْيَب القوس» (arc melter). للبدء، تُضغط مساحيق المنغنيز والبورون إلى قرص وتُحكم إغلاقه داخل حجرة زجاجية مُقوّاة. ثم يُوجّه تيار كهربائي ضيق إلى القرص، فيسخنه إلى ما يقرب من 3000°C (أكثر من 5000°F). تُبرَّد المادة المصهورة بسرعة للحفاظ على بنيتها. على المقياس الذري، يجبر هذا الإجراء ذرة المنغنيز المركزية على الارتباط بعدد أكبر من الذرات عما هو معتاد، ما يخلق ترتيبًا مكتظًا مضغوطًا مثل نابض ملفوف.
فتح البنية عبر التشوّه
عند استكشاف مركبات كيميائية جديدة، القدرة على إنتاج المركب فعليًا أمر حاسم. كما تحتاج إلى تحديد بُنيته الجزيئية لفهم أفضل لِمَ يتصرف بالطريقة التي يفعلها.
غريغوري جون، طالب الدكتوراه في جامعة ألباني، الذي يعمل مع الكيميائي الحاسوبي آلان تشن، بنى نماذج حاسوبية لتصوّر البنية الجزيئية لثنائي بوريد المنغنيز. كشفت هذه النماذج شيئًا حاسمًا: انحراف خفيف، يُعرف باسم «التشوُّه»، يمنح المركب طاقته المحتملة العالية.
الأستاذ المساعد مايكل يونغ. المنبع: براين بوشير
قال جون: «يبدو نموذجنا لمركب ثنائي بوريد المنغنيز وكأنه مقطع عرضي لكعكة الآيس كريم الساندويتش، حيث تكون البسكويتات الخارجية مصنوعة من بنية شبكية تتألف من سداسيات مترابطة. عندما تنظر عن كثب، ترى أن السداسيات ليست متماثلة تمامًا؛ كلها مائلة قليلاً. هذا ما نسميه 'التشوُّه'. بقياس درجة التشوُّه، يمكننا استخدام ذلك كمؤشر لتحديد مقدار الطاقة المخزنة في المادة. ذلك الانحراف هو المكان الذي تُخزن فيه الطاقة.»
قال يونغ: «تخيل ترامبولينًا مسطحًا؛ لا توجد طاقة عندما يكون مسطحًا. إذا وضعت وزنًا ضخمًا في وسط الترامبولين، فسيمتد. ذلك الامتداد يمثل طاقة مخزنة في الترامبولين، والتي سيطلقها عندما يُزال الجسم. عندما يشتعل مركبنا، يكون الأمر مثل إزالة الوزن من الترامبولين وتحرير الطاقة.»
المواد الجديدة تحتاج مركبات جديدة
قال آلان تشن، أستاذ مشارك في الكيمياء:
«هناك اتفاق بين الكيميائيين على أن المركبات القائمة على البورون يجب أن تمتلك خصائص غير عادية تجعلها تتصرف بطريقة مختلفة عن أي مركبات موجودة أخرى. هناك سعي مستمر لمعرفة تلك الخصائص والسلوكيات. هذا النوع من السعي هو جوهر كيمياء المواد، حيث يتطلب إنشاء مواد أكثر صلابة وقوة وشدة تشكيل مركبات كيميائية جديدة تمامًا. هذا ما يفعله مختبر يونغ — مع نتائج قد تحسّن وقود الصواريخ، والمحوّلات الحفزية، وحتى عمليات إعادة تدوير البلاستيك.
«تُعد هذه الدراسة أيضًا مثالًا رائعًا للعملية العلمية، حيث يسعى الباحثون وراء خصائص كيميائية مثيرة حتى عندما لا يكونون متأكدين من التطبيقات المحددة التي قد تظهر. أحيانًا، وفي هذه الحالة، تكون النتائج صدفة محظوظة.»
مختبر مايكل يونغ في مبنى ETEC بجامعة ألباني. المنبع: براين بوشير
بدأ اهتمام يونغ بمركبات البورون عندما كان طالب دراسات عليا في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس. كان مشروعه يهدف إلى اكتشاف مركبات أصعب من الماس.
قال يونغ: «أتذكّر بوضوح المرة الأولى التي صنعت فيها مركبًا ذو صلة بثنائي بوريد المنغنيز. هناك كنت أقبض هذه المادة الجديدة التي كان من المفترض أن تكون فائقة الصلابة. بدلًا من ذلك، بدأت تسخن وتغيّر إلى لون برتقالي جميل. فكرت، 'لماذا هي برتقالية؟ لماذا تتوهّج؟ لا ينبغي أن تتوهّج!' عندها أدركت مدى طاقة مركبات البورون. وضعت ذلك جانبًا لاستكشافه في المستقبل، وهذا بالضبط ما نعمل عليه الآن.»