الملخص:
أعلن فريق بحث بقيادة جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس (UCLA) مؤخرًا عن دراسة جديدة حول تكوين البلورات. ولأول مرة، استخدم العلماء تقنية التصوير الذري ثلاثي الأبعاد لمراقبة عملية النواة البلورية ذرة بعد ذرة، ووجدوا أنه لا توجد حدود واضحة بين البنية المنظمة داخل البلورة والمواد المضطربة المحيطة بها كما تصفها النظرية الكلاسيكية. يمكن أن يغير هذا الاكتشاف الفهم الأساسي لكيفية تشكل البلورات أثناء التحولات الطورية في المادة.
على مدى قرن تقريبًا، اعتمد العلماء على نظرية النواة الكلاسيكية لشرح عمليات تغير الطور مثل تجميد السائل وتكثيف الغاز. وترى هذه النظرية أن بعض المناطق الصغيرة المنظمة، والمعروفة باسم النوى البلورية، ستتشكل أولاً داخل المادة، وبعد ذلك ستستمر هذه النوى البلورية في النمو، لتشكل في النهاية بلورات كاملة. لقد تم دعم المعادلات الأساسية التي تدعم هذه النظرية بآلاف التجارب.
ومع ذلك، عندما لاحظ الباحثون تكوين البلورات في الفضاء ثلاثي الأبعاد على أساس ذرة تلو ذرة، كان الهيكل الفعلي للنواة البلورية مختلفًا عما تنبأ به النموذج الكلاسيكي. استخدم فريق البحث جزيئات نانوية معقدة مكونة من عناصر معدنية متعددة وطوروا طريقة لتجميد النوى البلورية في مراحل مختلفة من التكوين، مما يسمح لهم بمراقبة هذه العملية، والتي تحدث عادة بسرعة كبيرة.
وجد الباحثون أن الانتقال من البلورات المنظمة إلى المادة المضطربة المحيطة بها يحدث تدريجيًا، وليس فجأة مع وجود خط فاصل واضح. وقال جيانوي "جون" مياو، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا، وعضو معهد كاليفورنيا لأنظمة النانو، والمؤلف المقابل للورقة البحثية، إن النواة البلورية ليس لديها بنية داخلية موحدة وحدود واضحة كما هو موضح في نظرية النواة الكلاسيكية. على العكس من ذلك، فإن المنطقة الوسطى من كل نواة بلورية لديها أعلى نسبة تبلور. كلما اقتربنا من الحدود، أصبح الترتيب الذري أكثر اضطرابًا، مما يشكل تدرجًا مستمرًا.
من أجل تفسير هذه الظاهرة، اقترح فريق البحث "نموذج مسار النواة المتدرج" الأكثر تعقيدًا. هذا النموذج الجديد لا يقلب نظرية النواة الكلاسيكية، بل يوسعها. وقال مياو إن النظرية الكلاسيكية يمكن اعتبارها في الواقع حالة خاصة للنموذج الجديد: إذا تم دمج هذه الحالة الخاصة في المعادلات الجديدة، فيمكنك الحصول على نفس النتائج تمامًا مثل نظرية النواة الكلاسيكية. لكن في التجارب الفعلية، لم يلاحظ الباحثون أبدًا حدودًا واضحة للمقياس الذري، وبدلاً من ذلك رأوا بنية التدرج هذه بشكل متكرر.
توجد عملية النواة على نطاق واسع في الأنظمة الطبيعية والهندسية مثل تكوين قطرات السحاب والتصنيع الصناعي. ولذلك، فإن إعادة فهم هذه العملية قد تؤثر على مجالات بحثية متعددة وتوفر مرجعًا لتطوير التقنيات الجديدة.
لتصوير المراحل المختلفة لتكوين البلورات، قام الباحثون أولاً بتسخين الجسيمات النانوية إلى أكثر من 3000 درجة فهرنهايت (حوالي 1649 درجة مئوية) ثم قاموا بتبريدها بسرعة إلى درجة حرارة الغرفة في بضع مئات من الثانية. يبدأ التبريد السريع عملية تكوين البلورات بينما يتسبب في بقاء النوى البلورية في الجسيمات النانوية المختلفة في مراحل تطورها المختلفة.
وأوضح مياو أن الوقت اللازم لجمع البيانات أطول بكثير من عملية التنوي نفسها، لذلك يجب على الباحثين أولاً "تجميد" عملية تكوين البلورات قبل أن يتمكنوا من دراسة ظاهرة التنوي في مراحل مختلفة.
ثم استخدم فريق البحث التصوير المقطعي الإلكتروني الذري لإجراء إعادة بناء ثلاثية الأبعاد لكل ذرة على حدة لكل جسيم نانوي، واستخدم التحليل الإحصائي المتقدم لتحديد درجة الترتيب في مناطق مختلفة. تحتوي مجموعة البيانات بأكملها على أكثر من 8000 نواة، تتراوح في الحجم من أقل من 10 ذرات إلى أكثر من 1000 ذرة.
ولاحظ الباحثون مرارًا وتكرارًا نفس النمط في هذه النوى: درجة الترتيب الذري كانت أعلى في المنطقة الوسطى ثم انخفضت تدريجيًا نحو السطح. ومع استمرار نمو النواة البلورية، ستزداد درجة النظام في منطقتها الوسطى.
تغير هذه الهياكل المتدرجة أيضًا فهم الباحثين للطاقة اللازمة لتكوين النوى البلورية. تنص نظرية النواة الكلاسيكية على أن النوى البلورية يجب أن تتغلب على حد أدنى واضح من متطلبات الطاقة، وهو ما يسمى بحاجز الطاقة. فقط عدد قليل من النوى البلورية ذات الطاقة الكافية يمكنها عبور هذا "الجدار".
ومع ذلك، تظهر النتائج التجريبية أن عملية النواة قد لا تعبر حاجز الطاقة مرة واحدة، ولكنها تكتمل تدريجيًا عبر مراحل متوسطة متعددة. قارنها مياو بتسلق الجدار: تقول النظرية الكلاسيكية أن النواة البلورية يجب أن تتسلق مباشرة فوق الجدار، لكن نتائج البحث تظهر أن الطبيعة ربما تكون قد اعتمدت طريقة أكثر كفاءة، وهي التسلق خطوة بخطوة عبر السلم واستخدام حالات وسيطة متعددة للتغلب على حواجز الطاقة. يعتقد فريق البحث أن نموذج مسار النواة المتدرج الجديد يمكنه وصف هذه العملية وشرح سبب إمكانية تكوين النوى البلورية بشكل أكثر كفاءة.
تتطلب عملية تغيير الطور الكاملة أيضًا نوى بلورية مختلفة لتتحد مع بعضها البعض. اكتشف فريق البحث أيضًا ظاهرة غير متوقعة في هذه العملية: العديد من النوى البلورية القريبة من بعضها البعض لها بالفعل نفس الاتجاه تقريبًا قبل الاندماج، مما يسهل عليها الاندماج أخيرًا.
وقال مياو إنه من المفاجئ أن العديد من النوى كانت مصطفة تقريبًا قبل الاندماج. قد يعكس هذا مسارًا لتكوين طاقة أقل، ولكنه يُظهر أيضًا أنه لا يزال هناك الكثير مما يجب استكشافه حول الطريقة التي تنظم بها الطبيعة المادة.
بدأت السبائك ذات الإنتروبيا العالية والسبائك ذات الإنتروبيا المتوسطة المستخدمة في هذه التجربة في الظهور منذ حوالي 20 عامًا فقط. تُصنع مثل هذه المواد من عناصر معدنية متعددة ممزوجة بنسب متساوية تقريبًا، على عكس السبائك التقليدية مثل الفولاذ حيث يهيمن عنصر أساسي واحد. يمكن لبنيتها الذرية المختلطة للغاية أن تنتج مجموعات غير عادية من الخصائص مثل القوة والمرونة، ويمكن استخدامها أيضًا لإنشاء محفزات تفاعل كيميائي أكثر كفاءة ومتانة.
وقال مياو إن فهم عملية نواة هذه المواد يمكن أن يساعد الباحثين على تصميمها وتطويرها بشكل أفضل. وفي الوقت نفسه، يعتقد فريق البحث أن هذا النموذج يمكن تطبيقه أيضًا على نطاق واسع على أنظمة النواة الأخرى.
نظرًا لأن النواة هي ظاهرة واسعة الانتشار في الطبيعة والأنظمة الهندسية، فإن هذا البحث يمكن أن يؤثر على مجالات متنوعة مثل العلوم الفيزيائية، ونمذجة المناخ، والأغذية، والمستحضرات الصيدلانية، وأشباه الموصلات، والإلكترونيات. قد توفر طريقة التصوير الذري المستخدمة هذه المرة أيضًا للباحثين أداة جديدة لاستكشاف كيفية تطور عملية النواة.
بالنسبة لمياو، فإن الأهمية الأكثر أهمية لهذا البحث هي أنه قد يدفع المجتمع العلمي إلى إعادة التفكير في كيفية تنظيم المادة لنفسها أثناء تغيرات الطور. وقال إن فريق البحث يعتقد أن هذا العمل سيغير فهم الباحثين لظواهر النواة ويأمل أن تعكس الكتب المدرسية المستقبلية هذا الفهم الجديد في نهاية المطاف.
تم نشر هذا البحث، الذي يحمل عنوان "التنوي والنمو البلوري في السبائك عالية الإنتروبيا التي تم الكشف عنها بواسطة التصوير المقطعي الإلكتروني الذري"، في مجلة Nature Materials في 25 أغسطس 2026. وقد تم دعم البحث بشكل أساسي من قبل قسم علوم وهندسة المواد في برنامج علوم الطاقة الأساسية التابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.
التعليقات