شاهد أول فيديو لذرات صلبة تسبح في الغرافين السائل

حلّ فصل الصيف، وأصبح الطقس حاراً، وذهبت هذه الذرات للسباحة.

لأول مرة في التاريخ، وثّق علماء المواد ذرات إفرادية تتحرّك عبر محلول سائل. استخدم فريق من المهندسين من معهد الغرافين الوطني التابع لجامعة مانشستر وجامعة كامبريدج في المملكة المتحدة مجهراً إلكترونياً نافذاً لإتمام عملية دقيقة للغاية. تسمح هذه التقنية للباحثين برؤية المواد بالغة الصغر والتقاط صور لها بتفصيل دقيق للغاية. عادة، يجب أن تكون هذه المواد ساكنة ومثبّتة في حيز خالٍ من الهواء وعالي الضغط حتى يعمل المجهر الإلكتروني. ويحد هذا القيد استخدامات المجاهر الإلكترونية في المستوى الذرّي.

كيف وثق العلماء حركة الذرات؟

تمكّن المهندسون من حل هذه المشكلة من خلال الاستفادة من نوع جديد من المجاهر الإلكترونية التي تعمل في البيئات التي تتألف من السوائل والغازات المحتواة. لإعداد هذه التجربة، قام المهندسون بإنشاء "حوض" من خلايا الغرافين مزدوجة الطبقة والتي تبلغ سماكتها بضع نانومترات. حضّر المهندسون أيضاً عيّنات من ذرات البلاتين المغطاة بمحلول ملحي لوضعها ضمن خلال الغرافين. تدعى هذه الذرات "أداتومات" (adatoms)، وهو مصطلح يشير للذرات التي تستقر على البلورات المعدنية.  

بدأت ذرات البلاتين الصلبة بالتحرّك بسرعة كبيرة فور وضعها في الغرافين السائل. (للتوضيح، سُجّل مقطع الفيديو أدناه بالسرعة الطبيعية). اختبر الفريق وضع ذرات البلاتين أيضاً في وسط مفرّغ من الهواء بدلاً من الغرافين السائل. ولاحظوا أن هذه الذرات لم تتفاعل مع الوسط كما تفاعلت في الغرافين السائل.

المصدر: أدي غال-غرينوود

بعد إعادة تحفيز نفس الحركة في الغرافين السائل لأكثر من 70 ألف مرة، استنتج الفريق أن آلياته كانت ناجحة. ونشر الباحثون نتائجهم في مجلة نيتشر في 27 يوليو/تموز 2022.

اقرأ أيضاً: تقنية جديدة للتلاعب بالذرات ضمن البلورات يمكن أن تجعل المعادن أقوى وأكثر مرونة

ما أهمية هذه النتائج؟

يمكن أن تكون هذه النتائج مهمة لعدد من الأسباب. كتب الباحثون في ورقتهم أن أحد هذه الأسباب هو أن هذه التجربة "تمهّد الطريق" لاستخدام المجاهر الإلكترونية النافذة على نطاق واسع لدراسة "التفاعلات الكيميائية بدقة عالية على مستوى الذرات". وفقاً لما قالته سارة هاي (Sarah Haigh)، عالمة المواد والمؤلفة المشاركة للورقة الجديدة في بيان صحفي، يتمثّل أحد الأسباب الأخرى في أنه "نظراً لأهمية هذه الظاهرة [الخاصة بالمواد الصلبة] في المجالات الصناعية والعلمية، من المدهش حقاً كم يمكننا أن نتعلّم عن أساسيات سلوك الذرات عندما تكون مستقرة على سطوح تلامس السوائل".

اقرأ أيضاً: الجدول الدوري: أكثر من مجرد صفوف وأعمدة للعناصر الكيميائية

يعتمد عدد متزايد من التكنولوجيات على التفاعل بين الجسيمات الصلبة والخلايا السائلة. يعتبر الغرافين، والذي اكتشفه الباحثون في جامعة مانشستر في أوائل القرن الجاري، مكوناً أساسياً في الأقطاب الكهربائية للبطاريات ودارات الحواسيب، كما أنه ضروري في تقنية جديدة لإنتاج الهيدروجين الصديق للبيئة. من ناحية أخرى، يتم استخدام البلاتين في صناعة شاشات البلورات السائلة (إل سي دي) الخاصة بالسيارات وأنابيب الأشعة المهبطية والحساسات وغيرها الكثير. إن اكتشاف كيفية تفاعل الغرافين والبلاتين على المستويات بالغة الدقة يفتح المجال للعديد من الابتكارات الجديدة الأكثر دقة وفاعلية.