الرئيسية - المساحة الإخبارية - الجرافين ثلاثي الطبقات: التقانة النانوية تفتح الباب أمام أفق جديدة للموصلية الفائقة
حقوق ملكية الصورة: جامعة هارفرد

الجرافين ثلاثي الطبقات: التقانة النانوية تفتح الباب أمام أفق جديدة للموصلية الفائقة

يبدو أن مادة الجرافين ذات الخواص الفريدة قد توفر آلية يمكن عبرها الحصول على الموصلية الفائقة وعند درجة حرارة الغرفة

شهد عالم الفيزياء في عام 2018 إنجازاً ثورياً باهراً عندما اكتشف فريق من العلماء إمكانية تحوّل طبقة الكربون فائقة الرقة والمعروفة باسم الجرافين Graphene إلى مادة تمتلك قدرة توصيل فائقة وذلك عند تشكيل بنية ثنائية الطبقة منها، حيث سمح هذا الهيكل بمرور الكهرباء بكل سلاسة وبدون أن تتبدد الطاقة على الإطلاق. واليوم، يكشف لنا العلم عن مفاجأة جديدة تمهد الطريق أمام تحقيق مزيد من التطورات، حيث نشرت دورية ساينس ورقة بحثية جديدة وضعها مجموعة من علماء جامعة هارفرد حول نظام الموصلية الفائقة من خلال إضافة طبقة ثالثة من الجرافين وثنيها بزاوية معينة.

قد تسهم هذه الدراسة في ابتكار مواد ذات توصيل فائق عند درجة حرارة الغرفة أو عند مجال درجات حرارة قريبة. تعتبر هذه الموصلات الفائقة جزءاً مهماً من فيزياء المادة الكثيقة، إذ ستتيح المجال أمام ثورات تقنية هائلة في العديد من المجالات؛ بما فيها نقل الكهرباء والمواصلات والحوسبة الكمومية، علماً أن معظم الموصلات الفائقة بما فيها الجرافين مزدوج الطبقات تعمل اليوم وسط درجات حرارة شديدة الانخفاض.

الجرافين ثلاثي الطبقات من شأنه الارتقاء بالصناعة التقنية

وحول هذا الموضوع، قال آندرو زيمرمان، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر الفيزيائي فيليب كيم في جامعة هارفارد، وأحد المشاركين الرئيسيين في تأليف الورقة البحثية: “تشكل قدرة التوصيل الفائق في الجرافين الملتوي نموذجاً تجريبياً يمكن التحكم به والوصول إليه من الناحية النظرية، إذ يمكن للعلماء تعديل خصائص النظام لحل أسرار ظاهرة الموصلية الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة”.

الجرافين هو مادة يعادل سمكها ذرة كربون واحدة، وبالرغم من أنها تفوق قوة الفولاذ بـ 200 مرة، إلا أنها تتميز بمرونة عالية ووزن أخف من الورق. تُعرف هذه المادة أنها ناقلة جيدة للحرارة والكهرباء لكن استخدامها ترافق مع عدة صعوبات. لم يتوقف العلماء عن إجراء التجارب التي تحل لغز الجرافين المزدوج والملتوي منذ أن قام الفيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بابلو جاريلو-هيريرو وفريقه بتجربتهم “لي الإلكترونات” (twistronics) في عام 2018، والتي سمحت للجرافين بتوليد قدرة توصيل فائقة عن طريق وضع لوحين من الجرافين فوق بعضهما وتدوير اللوح الأعلى بدرجة سحرية مقدارها 1.1 درجة.

أفاد علماء جامعة هارفرد عن نجاح تجربة وضع ثلاثة شرائح من الجرافين فوق بعضها البعض ثم تدويرها بزاوية معينة لإنتاج هيكل ثلاثي الطبقات يولّد قدرة توصيل فائقة وسط درجات حرارة أعلى. ويعتبر النظام الجديد والمُحسّن حساساً للغاية للحقل الكهربائي المُطبق خارجياً، والذي يتيح ضبط مستوى التوصيل الفائق عن طريق ضبط شدة الحقل.

إمكانية تصميم مواد بقدرة توصيل فائقة وسط درجات حرارة مرتفعة

وفي معرض تعليقه، قال زيو هاو، طالب الدكتوراه في كلية الدراسات العليا للفنون والعلوم، والعضو في فريق فيليب كيم، وأحد المشاركين الرئيسيين في تأليف الورقة البحثية: “لقد أتاحت لنا هذه التجربة مراقبة ظاهرة التوصيل الفائق من منظور جديد، ما ساعدنا في الكشف عن دلالات مهمة حول آلية عمل هذه الظاهرة”.

إحدى الآليات التي كشف عنها البحث الجديد هي أن نظام الجرافين ثلاثي الطبقات أظهر أدلة على أن حالة الموصلية الفائقة هي نتيجة للتفاعلات الشديدة بين الإلكترونات وليست نتيجة للتفاعلات الضعيفة، وإن أثبتت هذه النظرية صحتها، سيتمكن الباحثون من ابتكار مواد ذات توصيل فائق في درجة حرارة مرتفعة، وإحداث ثورة في مجال الحوسبة الكمومية. 

وشارك إسلام خلف، زميل مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر البروفسور أشفين فيشواناث في جامعة هارفارد، وأحد المشاركين الرئيسيين في تأليف الورقة البحثية، رؤيته حول هذا الموضوع قائلاً: “تتحرك الإلكترونات في معظم الموصلات الفائقة التقليدية بسرعة عالية، وتتقاطع فيما بينها لتؤثر على بعضها البعض، لكن تأثيرات تفاعلاتها في هذه الحالة تكون ضعيفة. تعتبر الموصلات الفائقة ذات التفاعل الضعيف هشة وتفقد قدرتها على التوصيل الفائق عند تسخينها لبضعة درجات على مقياس كلفن. في حين تكون الموصلات الفائقة المزدوجة أكثر مرونة، إلا أن فهمنا حولها لا يزال محدوداً”.

من شأن توليد قدرة توصيل فائقة وقوية في نظام بسيط وقابل للتعديل مثل الجرافين ثلاثي الطبقات تمهيد الطريق أمام تطوير فهم نظري حول الموصلات الفائقة، وبالتالي المساهمة في توليد هذه القدرة وسط حرارة مقاربة لدرجة حرارة الغرفة.

تم نشر نتائج البحث الجديد ضمن ورقة علمية في دورية ساينس.

المصدر: [جامعة هارفرد Harvard University]

عن Leen Saleh

Avatar

تعليق واحد

اضف رد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني . الحقول المطلوبة مشار لها بـ *

*

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

x

‎قد يُعجبك أيضاً

ما هي المجالات المنطقية Logic Levels

يعبر المجال المنطقي عن قيمٍ للجهود الكهربائية التي يمكن عبرها تمثيل الإشارات الثنائية عندما نريد ...