اكتشاف طريقة تجعل الزجاج صلباً لدرجة خدش الألماس

يبدو الزجاج على المستوى الذري على شكل ذرات متداخلة فوضويًا، ما يجعله عرضةً للتصدع والكسر، حديثًا اكتشف الكيميائيون طريقة لترتيب ذرات الزجاج جاعلة إياه صلبًا لدرجة منافسة الألماس، فقد اكتشف فريق من العلماء من جامعة يانشان في الصين النسبة الحرجة للكربون المتبلور وغير المتبلور اللازمة لصنع زجاج ذي خصائص مذهلة، فلا يضعف ولا يكسر ولو تحت الضغط الشديد.

غالبًا ما تعود الخواص الميكانيكية للمادة إلى الطريقة التي ترتبط بها لبناتها الأساسية -الطريقة التي ترتبط بها ذراتها- فصلادة الألماس الشهيرة تعود للروابط التساهمية الأربع التي تكونها كل ذرة من الكربون مع جاراتها من الذرات، ومع أن تلك الروابط تشكل جسرًا صلبًا، إلا أنها لا تترك أيّ إلكترونات حرة غير متصلة لتحمل التيار الكهربائي، ولهذا يعد الألماس عازلًا فعالًا.

لا يحوي الزجاج الصلب عمومًا أنماطًا متكررة من الترتيب الذري، يشبه هيكلها العام إلى حد ما هيكل السوائل التي تتجمع جزيئاتها في مكانٍ واحدٍ عند انخفاض درجات الحرارة كفايةً.



اعتمادًا على مكونات المواد الزجاجية ومع امتلاكها درجة تركيبية مفاجئة، إذ توجد في حالة سائلة حسب ما اكتشف العلماء مؤخرًا، إلا أنّ تشكلها غير المنتظم يسمح بوجود خصائص بصرية وميكانيكية تجعلها أكثر ملاءمة لعدة تقنيات.

يجمع الزجاج المعدني -المعدن الذي يمتلك خصائص زجاجية- كلتا المزيتين، ما يمنحه قوة لا تملكها المعادن البلورية مع بقائه موصلًا للكهرباء.

مع ذلك يعد صعبًا التنبؤ بالنمط الذي قد يسلكه الكربون في الحالة الزجاجية بناء على النظرية وحدها، لهذا جرّب باحثون من جامعة يانشان سحق مجموعة عينات من ذرات الكربون كروية الشكل التي يُطلق عليها «كرات بكي» تحت ضغط عال مقداره نحو 25 جيجا باسكال (250,000 ضغط جوي) ثم خبز مسحوقها في درجات حرارة تتراوح بين 1000 و1200 درجة مئوية (نحو 1800 إلى 2200 درجة فهرنهايت).

بعد إخضاع نواتج العينات الزجاجية المسماة AM-I وII وIII لمجموعة من الاختبارات، عيَّن الكيميائيون طريقة ارتباط الذرات ببعضها، موضحين أنها تعمل جميعًا بصفتها أشباه موصلات على مستوى مشابه للسيليكون غير المتبلور.

لكن الخواص الميكانيكية للنتيجة الثالثة هي التي برزت حقًا.

الألماس أحد أصلد المواد المعروفة، وهناك اختبار شائع لقياس صلادة المواد يُعرف باختبار فيكرز للصلادة، يستخدم طرفًا ماسيًا يزيح المواد وعند الانتهاء من المسافة البادئة يمكن معرفة صلابة المادة المقاسة نسبةً للألماس.
كلما زادت صلابة المادة، زادت القوة المطلوبة لترك أثر كبير ملحوظ، علمًا أن وحدة القياس هي الجيجا باسكال.

قد يتطلب خدش قطعة ألماس أخرى قوة بين 60 و100 جيجا باسكال، اعتمادًا على ما إذا كانت هذه القطعة طبيعية أم صناعية، أي مصنوعة بعناية في المختبر.

سجلت المادة الزجاجية AM-III في اختبار فيكرز صلادة مقدارها ما بين 110 و116 جيجا باسكال، ما يجعلها أصلد مادة غير متبلورة حتى الآن، فعند اختبار شريحة من المادة على طول الوجه المسطح للماس الطبيعي ترك أثر تشوه واضحًا.

إنّ إنتاج كمية كافية من هذا الزجاج ليُستخدم على نطاق واسع تجاريًا سيكون مُكلفًا لدرجة أن قلة من الناس ستتحمل كلفته وتشتريه في الوقت الحالي. لكن مع مرور الوقت، قد يصنع منه ما يكفي ليكون بمثابة بديلٍ لترانزستورات السيليكون المستخدمة في البيئة عالية الضغط.

نظرًا إلى أن عملية تطوير الزجاج كانت تجريبية إلى حدٍ كبير، يمكن العثور على أدلة أكثر أو نتائج أوسع عن طريق سحق وطبخ نظائر أخرى من الكربون مثل الجرافين في درجة حرارة وضغط عاليين.

دخل علم المواد في عصر دراسة الكربون مؤخرًا، فأوجد طرقًا جديدة ومبتكرة لتشغيل الخواص الميكانيكية والكهربائية لذرات الكربون ذات الترتيب المتنوع.

حاليًا يصعب تحديد طريقة لاستخدام الزجاج من نوع AM-III، لكنه قد يصبح يومًا ما مفيدًا جدًا في مجال هندسة الكهرباء.