ينضم Diamondiyne إلى عائلة الكربون. أعد العلماء لأول مرة مادة كربونية جديدة كانت موجودة نظريا منذ 35 عاما.

الملخص:

أعلن فريق بحثي من جامعة جوتنبرج في السويد أنهم نجحوا لأول مرة في تحضير متآصل كربوني جديد، Diamondiyne، والذي كان في السابق مجرد نموذج نظري. ويعني هذا الإنجاز أنه بعد الماس والجرافيت والفوليرين وأنابيب الكربون النانوية والجرافين، تمت إضافة عضو جديد إلى عائلة الكربون.

يشتهر الكربون بطرق الترابط الغنية والمتنوعة، مما يسمح له بتكوين مجموعة متنوعة من الهياكل ذات خصائص مختلفة إلى حد كبير. من بينها، الماس معروف بصلابته العالية للغاية، في حين أن الجرافيت ناعم وموصل بسبب هيكله متعدد الطبقات. لعقود من الزمن، اكتشف العلماء هياكل كربونية جديدة، ويعد Diamondiyne هو الأحدث الذي تم تحقيقه بنجاح.

في الواقع، تم توقع وجود Diamondiyne لأول مرة من قبل الكيميائيين النظريين منذ 35 عامًا. ومع ذلك، نظرًا لبنيتها المعقدة وظروف تكوينها القاسية، لم يتم تأكيدها في التجارب، لذلك تم اعتبارها منذ فترة طويلة مادة لا توجد إلا في الحسابات النظرية.

أشرف على البحث كارل بويسون، أستاذ الكيمياء الفيزيائية بجامعة جوتنبرج. وأخيرًا قام فريق البحث ببناء هيكل بلوري جديد ثلاثي الأبعاد من خلال ربط ذرات الكربون ببعضها البعض بثلاث روابط. ويتكون الهيكل من عدد كبير من الوحدات رباعية السطوح، المرتبطة ببعضها البعض بواسطة القمم، لتشكل شبكة منتظمة في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

بالمقارنة مع الألماس التقليدي، فإن أكبر ما يميز Diamondiyne هو وجود فراغات طبيعية بداخله. وقال الباحثون إن الهيكل يمكن فهمه على أنه "ألماس مسامي". نظرًا لوجود مسام بين رباعيات السطوح، فإن المادة لها خصائص مسامية واضحة.

والأهم من ذلك، أن صنع Diamondiyne لا يتطلب بيئة الضغط العالي الشديدة التي يتطلبها تكوين الماس الطبيعي. استخدم فريق البحث معدات تجريبية رخيصة نسبيًا لتوليد طبقة رقيقة للغاية عند السطح البيني المتكون من الاتصال بين السائلين، ونجح في حث ذرات الكربون على ترتيب نفسها بالطريقة المرغوبة.

للتحقق من صحة البنية، تعاون الباحثون مع علماء من جامعة ستوكهولم وجامعة تشالمرز للتكنولوجيا لتحليل المادة باستخدام المجاهر الإلكترونية المتقدمة. أظهرت نتائج الملاحظة أنه قد تم تشكيل بنية شبكية متكررة متوافقة بشكل كبير مع النموذج النظري في بعض مناطق سطح الفيلم.

ذكر فريق البحث أنهم نجحوا في ملاحظة نمط الترتيب المتكرر الفريد لـDiamondiyne في منطقة صغيرة يبلغ طول جانبها حوالي 10 نانومتر. وعلى الرغم من أن المقياس لا يزال محدودًا للغاية، إلا أن الصور التي تم الحصول عليها تتوافق إلى حد كبير مع التنبؤات النظرية، مما يوفر دليلاً قويًا على وجود هذه المادة الجديدة.

وقال بويرسون إن هذا الإنجاز تم تحقيقه بشق الأنفس. وبما أن هناك العديد من العوامل غير المؤكدة في عملية تجميع ذرات الكربون والتي قد تؤدي إلى الفشل، فقد مر الفريق بفترة طويلة من الاستكشاف قبل العثور أخيرًا على طريقة التحضير الصحيحة. واعترف بأنه شعر بالامتنان الشديد لأنه تمكن من رؤية هذا الهيكل النظري يصبح حقيقة بأم عينيه.

ينبع هذا البحث في الواقع من البحث طويل الأمد الذي أجراه الفريق حول المواد الإطارية العضوية التساهمية. في السنوات الأخيرة، أصبحت المواد المسامية اتجاهًا بحثيًا مهمًا في علم المواد. تُعد الأطر المعدنية العضوية (MOFs) التي اعترفت بها جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 إنجازات مهمة في هذا المجال، وقد أظهر دياموندين إمكانيات جديدة للمواد المسامية المكونة بالكامل من الكربون.

يعتقد العلماء أنه على الرغم من أنه لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل الإنتاج الضخم والتطبيق العملي، فإن البنية المسامية الفريدة ثلاثية الأبعاد لـ Diamondiyne تجعل من الممكن استخدامها في مجالات مثل تخزين الطاقة والبطاريات والتحفيز الكهربائي وتخزين الغاز والمواد الإلكترونية المتقدمة في المستقبل.

من الماس إلى الجرافين والآن، ولأول مرة، Diamondiyne، يواصل الكربون إظهار الإبداع الهيكلي المذهل. ويعتقد الباحثون أن هذه النتيجة لا تؤكد فقط التنبؤات النظرية طويلة الأمد، ولكنها تفتح أيضًا اتجاهات بحثية جديدة لتطوير مواد وظيفية جديدة.