تويت
اكتشف باحثون من جامعة ولاية كاليورينا الشمالية نوع جديد من الكربون الصلب، يسمى ( كيو- كاربون Q-carbon )، والذي يختلف عن باقي انواع الجرافيت والكربون المعروفة. وقاموا ايضا بتطوير تقنية جديدة لإستخدام الكيو كاربون لصناعة تركيبة الألماس في درجات حرارة طقس و ضغط جوي عادية.
يقول جاي ناريان Jay Narayan, أستاذ علوم المواد والهندسة في ولاية شمال كالورينا، والمؤلف الرئيسي للبحث: “للمادة عدة مراحل مختلفة عن بعضها، والجرافيت هو إحدى حالات الكربون الصلب، بينما الألماس حالة اخرى. نحن قمنا بخلق حالة ثالثة للكربون, المكان الوحيد الذي يمكن ان يوجد في العالم الطبيعي سيكون ربما في باطن بعض الكواكب. الكيو – كاربون له خصائص مختلفة حيث يتميز بالمغناطيسية بينما ذلك لايوجد في بقية انواع الكربون الاخرى, نحن لم نفكر يوم قط ان يكون ذلك ممكنا.”
وبالإضافة، الكيو – كاربون اكثر صلابة من الألماس ويضيء حتى عند التعرض لمستويات منخفضة من الطاقة. قوة الكربون و تفاعله العملي البطيئ وإستعداده لإطلاق الإلكترونات، كل ذلك يجعله اداة واعدة لتطوير تقنيات عرض الكترونية جديدة. لكن يمكن ايضا استخدام الكيو – كاربون لخلق انواع مختلفة من هياكل الألماس أحادية الكريستال. ولفهم ذلك، يجب علينا فهم عملية صناعة الكيو – كاربون.
بدأ الباحثون مع مادة بلورية أولية، مثل الياقوت والزجاج أو مادة البلاستيك. ثم يتم تغطيتها بمادة كربونية غير متبلورة والتي لاتشبه الجرافيت أو الألماس ولا تملك بنية بلورية منتظمة ومحددة. ثم يتم ضرب الكربون بواسطة نبضات اشعة ليزرية احادية تدوم حوالي 200 نانو ثانية. أثناء هذة النبضات، ترتفع درجة حرارة الكربون الى مايقارب 4,000 كلفن (أو حوالي 3,727 درجة مئوية) وثم يبرد سريعاً. هذه العملية تجري في طقس جوي موحد – حيث يكون الضغط نفسه كالهواء المحيط. والنتيجة النهائية هي شريحة من الكيو – كاربون. ويمكن الباحثين ايضا التحكم بالعملية لصناعة شرائح يبلغ سمكها مابين ال20 الى 500 نانوميتر.
باستخدام مواد بلورية مختلفة وتغيير مدة نبض الليزر، يمكن الباحثين أيضا التحكم في مدى سرعة تبريد الكربون. و عن طريق تغيير معدل التبريد، سيكون بمقدورهم خلق هياكل الماسية داخل الكيو – كربون.
ويقول نارايان “يمكننا أن نخلق ألماس نانوي أو ميكروني أو نانوي نقطي أو شرائح الماسية ذات مساحات كبيرة، لإستخدامها ضمن تطبيقات لإيصال الأدوية، و العمليات الصناعية أو صناعة محولات وإلكترونيات لدرجات الحرارة والطاقة العالية ،”. “هذه التطبيقات الألماسية لها بنية بلورية أحادية، تجعلها أقوى من المواد متعددة الكريستالات. وكل ذلك تم في درجة حرارة الغرفة وفي الجو العادي . ونحن أساسا نستخدم اجهزة ليزر مثل تلك المستخدمة لجراحة العين. وذلك لا يتطلب منا تطوير تطبيقات جديدة فقط، بل أن العملية نفسها غير مكلفة نسبيا.”
وإذا كان الباحثون يريدون تحويل الكثير من الكيو -كربون إلى ألماس، يمكنهم ببساطة تكرار عملية نبضات الليزر/ وعملية التبريد.
إذا كان الكيو – كربون أكثر صلابة من الألماس، لماذا سيرغب شخص ما بصناعة ألماس نانوي بدلاً عن الكيو -كربون ؟ لأنه لا يزال أمامنا الكثير لنتعلمه حول هذه المواد الجديدة.
ويضيف نارايان “يمكننا صناعة شرائح الكيو – كربون، ونحن نتعلم من خصائصه، ولكننا لانزال في المراحل الأولى من فهم كيفية التعامل معه،”. “أننا نعرف الكثير حول الألماس، حيث يمكننا صناعة ألماس نانوي . لكننا لا نعرف حتى الآن كيفية جعل الكيو – كربون نانوي أو ميكروني. وهذا مانعمل علية الأن. ”
ولاية كارولينا الشمالية سجلت برائتين اختراع مؤقته على تقنيات خلق الكيو -كربون والألماس. حيث تم وصف ذلك المشروع في ورقتين عمل ، كل منها قد شارك في تأليفها طالب الدكتوراه في جامعة كارولينا الشمالين اناغ بهوميك Anagh Bhaumik . وهي بعنوان “مرحلة جديدة من الكربون تعرف بال(فيرومغناطيس) وطريقة تحويلها إلى ألماس” وتم نشرها على الإنترنت في 30 نوفمبر الماضي في “مجلة الفيزياء التطبيقية”. والأخرى بعنوان “التحويل المباشر للكربون غير متبلور الى ألماس في درجات الحرارة والضغط الجوي العاديه ” حيث نشرتها مجلة “APL Materials” في 7 اكتوبر الماضي.
يقول جاي ناريان Jay Narayan, أستاذ علوم المواد والهندسة في ولاية شمال كالورينا، والمؤلف الرئيسي للبحث: “للمادة عدة مراحل مختلفة عن بعضها، والجرافيت هو إحدى حالات الكربون الصلب، بينما الألماس حالة اخرى. نحن قمنا بخلق حالة ثالثة للكربون, المكان الوحيد الذي يمكن ان يوجد في العالم الطبيعي سيكون ربما في باطن بعض الكواكب. الكيو – كاربون له خصائص مختلفة حيث يتميز بالمغناطيسية بينما ذلك لايوجد في بقية انواع الكربون الاخرى, نحن لم نفكر يوم قط ان يكون ذلك ممكنا.”
وبالإضافة، الكيو – كاربون اكثر صلابة من الألماس ويضيء حتى عند التعرض لمستويات منخفضة من الطاقة. قوة الكربون و تفاعله العملي البطيئ وإستعداده لإطلاق الإلكترونات، كل ذلك يجعله اداة واعدة لتطوير تقنيات عرض الكترونية جديدة. لكن يمكن ايضا استخدام الكيو – كاربون لخلق انواع مختلفة من هياكل الألماس أحادية الكريستال. ولفهم ذلك، يجب علينا فهم عملية صناعة الكيو – كاربون.
بدأ الباحثون مع مادة بلورية أولية، مثل الياقوت والزجاج أو مادة البلاستيك. ثم يتم تغطيتها بمادة كربونية غير متبلورة والتي لاتشبه الجرافيت أو الألماس ولا تملك بنية بلورية منتظمة ومحددة. ثم يتم ضرب الكربون بواسطة نبضات اشعة ليزرية احادية تدوم حوالي 200 نانو ثانية. أثناء هذة النبضات، ترتفع درجة حرارة الكربون الى مايقارب 4,000 كلفن (أو حوالي 3,727 درجة مئوية) وثم يبرد سريعاً. هذه العملية تجري في طقس جوي موحد – حيث يكون الضغط نفسه كالهواء المحيط. والنتيجة النهائية هي شريحة من الكيو – كاربون. ويمكن الباحثين ايضا التحكم بالعملية لصناعة شرائح يبلغ سمكها مابين ال20 الى 500 نانوميتر.
باستخدام مواد بلورية مختلفة وتغيير مدة نبض الليزر، يمكن الباحثين أيضا التحكم في مدى سرعة تبريد الكربون. و عن طريق تغيير معدل التبريد، سيكون بمقدورهم خلق هياكل الماسية داخل الكيو – كربون.
ويقول نارايان “يمكننا أن نخلق ألماس نانوي أو ميكروني أو نانوي نقطي أو شرائح الماسية ذات مساحات كبيرة، لإستخدامها ضمن تطبيقات لإيصال الأدوية، و العمليات الصناعية أو صناعة محولات وإلكترونيات لدرجات الحرارة والطاقة العالية ،”. “هذه التطبيقات الألماسية لها بنية بلورية أحادية، تجعلها أقوى من المواد متعددة الكريستالات. وكل ذلك تم في درجة حرارة الغرفة وفي الجو العادي . ونحن أساسا نستخدم اجهزة ليزر مثل تلك المستخدمة لجراحة العين. وذلك لا يتطلب منا تطوير تطبيقات جديدة فقط، بل أن العملية نفسها غير مكلفة نسبيا.”
وإذا كان الباحثون يريدون تحويل الكثير من الكيو -كربون إلى ألماس، يمكنهم ببساطة تكرار عملية نبضات الليزر/ وعملية التبريد.
إذا كان الكيو – كربون أكثر صلابة من الألماس، لماذا سيرغب شخص ما بصناعة ألماس نانوي بدلاً عن الكيو -كربون ؟ لأنه لا يزال أمامنا الكثير لنتعلمه حول هذه المواد الجديدة.
ويضيف نارايان “يمكننا صناعة شرائح الكيو – كربون، ونحن نتعلم من خصائصه، ولكننا لانزال في المراحل الأولى من فهم كيفية التعامل معه،”. “أننا نعرف الكثير حول الألماس، حيث يمكننا صناعة ألماس نانوي . لكننا لا نعرف حتى الآن كيفية جعل الكيو – كربون نانوي أو ميكروني. وهذا مانعمل علية الأن. ”
ولاية كارولينا الشمالية سجلت برائتين اختراع مؤقته على تقنيات خلق الكيو -كربون والألماس. حيث تم وصف ذلك المشروع في ورقتين عمل ، كل منها قد شارك في تأليفها طالب الدكتوراه في جامعة كارولينا الشمالين اناغ بهوميك Anagh Bhaumik . وهي بعنوان “مرحلة جديدة من الكربون تعرف بال(فيرومغناطيس) وطريقة تحويلها إلى ألماس” وتم نشرها على الإنترنت في 30 نوفمبر الماضي في “مجلة الفيزياء التطبيقية”. والأخرى بعنوان “التحويل المباشر للكربون غير متبلور الى ألماس في درجات الحرارة والضغط الجوي العاديه ” حيث نشرتها مجلة “APL Materials” في 7 اكتوبر الماضي.