vمن كتب الفيزياء في مرحلة الطفولة، تعلمنا أن المادة توجد في ثلاث حالات أساسية: صلبة، سائلة، وغازية. في فهمنا، يشكل هذا كونًا منظمًا: الذرات في المواد الصلبة مرتبة في أنماط موحدة، بينما تلك الموجودة في السوائل تتدفق بحرية مثل الخيول الجامحة. لكن سحر الاستكشاف العلمي يكمن بالضبط في قدرته على تحطيم أطرنا المعرفية الراسخة. مؤخراً، لاحظ فريق بحثي متعدد الجنسيات من المملكة المتحدة وألمانيا ظاهرة غير بديهية على المستوى المجهري. اكتشفوا أن المعادن السائلة تحتوي على حالة غامضة تعتبر نظرياً ”مستحيلة الوجود“. لا يتحدى هذا الاكتشاف فهمنا التقليدي لحالات المواد فحسب، بل قد يبشر أيضاً بحدوث اختراقات ثورية في علم المواد في المستقبل.
جدول المحتويات
اكتشاف غريب تحت المجهر: ذرات تظل ثابتة عند درجات حرارة عالية
نُشرت هذه الدراسة الرائدة، التي أجرتها جامعة نوتنغهام في المملكة المتحدة وجامعة أولم في ألمانيا بشكل مشترك، في المجلة المرموقة ACS Nano. وللتعمق أكثر في أسرار تحول السوائل إلى مواد صلبة، ابتكر فريق البحث تجربة دقيقة للغاية. وضعوا جزيئات نانوية من المعادن الثمينة مثل البلاتين والذهب والبلاديوم على الجرافين، وهو مادة بسماكة ذرة واحدة فقط. هنا، عمل الجرافين كركيزة تسخين تشبه موقد الحث الكهربائي. ثم استخدم العلماء مجهر إلكتروني عالي الدقة لمراقبة سلوك هذه الجزيئات المعدنية في الوقت الفعلي تحت تقلبات درجات الحرارة القصوى.
وفقًا للمبادئ الأساسية للفيزياء، عندما يتم تسخين معدن إلى درجة انصهاره ويصبح سائلًا، يجب أن تتحرك ذراته بسرعة وبشكل عشوائي، تمامًا مثل حشد مزدحم. ومع ذلك، عند النظر من خلال عدسة المجهر الإلكتروني، اندهش العلماء عند مشاهدة ظاهرة غير عادية: وسط التدفق المضطرب للذرات في المعدن السائل، بقيت جزء من الذرات ”ثابتة تمامًا“. لم ترقص هذه الذرات الجامحة مع درجات الحرارة المرتفعة، بل بقيت ثابتة في مواقع العيوب على سطح الجرافين، كما لو كانت محبوسة في مكانها بقوة خفية. وحتى مع استمرار ارتفاع درجة الحرارة، بقيت هذه الذرات ثابتة تمامًا.
تأثير الحاجز الذري: السوائل شديدة البرودة في الحاويات
كشفت التحقيقات الإضافية التي أجراها العلماء أن توزيع وموضع هذه الذرات الثابتة يمكن أن يحدد مصير المعدن. عندما كان عدد الذرات الثابتة قليلاً، تبلور المعدن السائل إلى مادة صلبة عند التبريد، كما هو متوقع. ومع ذلك، عندما قام الباحثون بصنع المزيد من العيوب بشكل مصطنع باستخدام حزمة إلكترونية، مما تسبب في تجمع العديد من الذرات الثابتة معًا، حدثت ظاهرة رائعة. فقد شكلت هذه ”السياج الذري“ المكون من الذرات الثابتة ”فخًا“ فعالًا للمعدن السائل بداخله، مما تسبب في نسيانه متى يجب أن يتجمد.
هذه الحالة، التي تسمى ”السائل المبرد بشكل مفرط والمحصور“، مذهلة للغاية. خذ البلاتين على سبيل المثال: تبلغ درجة تصلبه العادية 1768 درجة مئوية. ومع ذلك، عندما يكون محصوراً داخل هذا الحاجز الذري، يظل البلاتين سائلاً حتى عندما تنخفض درجة الحرارة إلى 350 درجة مئوية. وهذا يعني أن هذه الذرات المحصورة تتحدى قوانين الفيزياء برفضها التصلب عند درجات حرارة تقل بألف درجة عن نقطة انصهارها. وهذه هي المرة الأولى في تاريخ العلم البشري التي يتم فيها ”احتواء“ الذرات نفسها بنجاح على المستوى الذري، مما يخلق حالة هجينة غريبة تجمع بين حدود صلبة ولب سائل.
ولادة المعادن الزجاجية: بنية غير متبلورة غير مستقرة
بطبيعة الحال، لا يمكن أن تستمر هذه السوائل غير البديهية إلى ما لا نهاية. عندما تنخفض درجة الحرارة في النهاية إلى مستوى منخفض بما فيه الكفاية، تضطر هذه السوائل المحبوسة إلى التصلب، لكن عملية تصلبها غير عادية بشكل واضح. بسبب تقييدها بالحاجز الذري الخارجي، لا تستطيع الذرات الداخلية أن ترتب نفسها في بنية بلورية منتظمة كما تفعل عادة. بدلاً من ذلك، تتراكم بشكل عشوائي، مكونة مادة تعرف باسم ”المعدن غير المتبلور“ أو ”الزجاج المعدني“.
تشبه هذه الحالة نسخة معدنية من الزجاج: على الرغم من مظهرها الصلب، إلا أن بنيتها الداخلية غير منظمة مثل السائل. والجدير بالذكر أن هذا الترتيب موجود في حالة غير مستقرة للغاية، ويتم الحفاظ عليه بالكامل بواسطة الحلقة الخارجية من الذرات الثابتة التي تعمل كحاجز. في حالة اختراق هذا الحاجز، يتم إطلاق التوتر الداخلي المتراكم على الفور. ثم ”ترتد“ الذرات المعدنية بسرعة، وتعيد ترتيب نفسها في بنية بلورية تقليدية مستقرة. يوضح هذا التذبذب بين الاستقرار وعدم الاستقرار الإمكانات المرنة الرائعة للتحول الكامنة في المادة على المستوى المجهري.
آفاق التطبيقات المستقبلية: من المحفزات إلى ثورة الطاقة
لا يمثل هذا الاكتشاف مجرد طفرة نظرية في المختبر، بل له آثار عميقة على التطبيقات في العالم الحقيقي. يشير المتخصصون في المحفزات إلى أن الجمع بين معادن البلاتين والمواد الكربونية — مثل البلاتين على الجرافين — يشكل أكثر تكوينات المحفزات استخدامًا على مستوى العالم، حيث يستخدم على نطاق واسع في خلايا الوقود والتفاعلات الكيميائية المتنوعة. وإذا تمكن العلماء من إتقان تقنية ”المعدن السائل المحبوس“ هذه، فقد يمهد ذلك الطريق لتصميم محفزات جديدة ذات نشاط محسّن وعمر أطول وحتى قدرات ”التنظيف الذاتي“.
علاوة على ذلك، فإن هذا البحث يبشر بظهور حالة مادية جديدة تمامًا — مادة واحدة قادرة على إظهار خصائص صلبة وسائلة في آن واحد. ويتمثل الهدف المستقبلي لفريق البحث في تحقيق تحكم أكثر دقة في شكل وحجم هذه الحواجز الذرية، مما يتيح إنشاء هياكل أكثر تعقيدًا. ويعد هذا التقدم واعدًا في تحسين كفاءة استخدام المعادن النادرة في تطبيقات الطاقة النظيفة. وسواء في البطاريات عالية الأداء أو أجهزة تحويل الطاقة، فقد تثبت ”تقنية التحكم على المستوى الذري“ هذه أنها المفتاح المحوري لفتح الباب أمام الثورة التكنولوجية التالية.
مصدر الصورة الرئيسية: الذرات الثابتة في المعادن السائلة ودورها في آليات التصلب
المصدر:
- ”الذرات الثابتة في المعادن السائلة ودورها في آليات التصلب“ بقلم كريستوفر ليست، صادق غادرزاده، إيمرسون كولراوش، يوهانس بيسكوبك، لوك ت. نورمان، إيليا بوبوف، جيسوم ألفيس فرنانديز، أوتي كايزر، إيلينا بيسلي وأندريه ن. خلوبيستوف، 9 ديسمبر 2025، ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.5c08201
- المعدن السائل يحمل حالة غامضة ”لا ينبغي أن توجد“! يكتشف العلماء بشكل غير متوقع شكلاً جديداً من أشكال المادة.
- العلماء يكتشفون حالة خفية داخل المعدن السائل لا ينبغي أن توجد
- أخبار – بحث يكشف عن حالة هجينة جديدة للمادة حيث تلتقي المواد الصلبة بالسوائل
بالنسبة للطحن، نقدم تعديلات مخصصة، مما يسمح لك بتعديل النسب لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة بناءً على احتياجات المعالجة الخاصة بك.
إذا كنت لا تزال لا تعرف كيفية اختيار الأنسب بعد قراءة المقال.
لا تتردد في الاتصال بنا؛ لدينا متخصص للإجابة على أسئلتك.
لا تتردد في الاتصال بنا إذا كنت ترغب في الحصول على عرض أسعار مخصص.
ساعات خدمة العملاء: من الاثنين إلى الجمعة، من الساعة 9:00 صباحاً إلى الساعة 6:00 مساءً
رقم الهاتف: +886 07 223 1058
لا تتردد في مراسلتي على فيسبوك إذا كانت لديك أي أسئلة حول مواضيع محددة أو إذا لم تتمكن من شرح الأمور بوضوح عبر الهاتف.
صفحة Honway على فيسبوك: https://www.facebook.com/honwaygroup
قد تهمك هذه المقالات…
[wpb-random-posts]
