A Reactive Molecular Dynamics Study on the Mechanical Properties of a Recently Synthesized Amorphous Carbon Monolayer Converted into a Nanotube/Nanoscroll

يمتلك الكربون موهبة فريدة في بناء المستقبل. فمن الجرافيت في قلم الرصاص إلى الألماس في الخاتم، يمكن لهذا العنصر الواحد أن يرتب نفسه في هياكل ذات شخصيات مختلفة تمامًا. وفي عالم تكنولوجيا النانو، لطالما فتن العلماء بشكلين محددين مصنوعين من ذرات الكربون: أنابيب دقيقة ولفافات حلزونية. وتُقدر هذه الهياكل لقوتها المذهلة وقدرتها على توصيل الكهرباء، مما يجعلها مرشحة محتملة لكل شيء، بدءًا من شرائح الكمبيوتر الأسرع وصولًا إلى الألواح الشمسية الأكثر كفاءة. ومع ذلك، غالبًا ما يكون من الصعب تصنيع النسخ الأكثر مثالية لهذه الأشكال دون عيوب. مؤخرًا، اكتشف الباحثون طريقة لإنشاء نوع جديد من مادة الكربون التي تكون غير منتظمة بطبيعتها، وتتكون من حلقات من الذرات التي تختلف في الحجم بدلاً من تشكيل نمط متكرر ومثالي. هذه المادة، المعروفة باسم الكربون غير المتبلور (amorphous carbon)، تقدم مسارًا مختلفًا للمضي قدمًا. وكان السؤال الكبير الذي واجه العلماء هو ما إذا كان هذا الكربون الفوضوي وغير المنتظم لا يزال قادرًا على التماسك عند لفه في شكل أنبوب أو لفافة، وكيف ستتفاوت قوته مقارنة بالنسخ المثالية والمنتظمة التي نعرفها بالفعل.

لقد وضع فريق من الباحثين من البرازيل نصب أعينهم الإجابة على هذا السؤال من خلال إنشاء محاكاة حاسوبية مفصلة لهذه المواد الجديدة. لم يقوموا ببناء أنابيب فيزيائية في المختبر؛ بل استخدموا نموذجًا رقميًا قويًا لمراقبة كيفية سلوك الذرات الفردية تحت ظروف قاسية. بدأوا بصفة مسطحة من هذا الكربون غير المتبلور المصنع حديثًا، وهي مادة مكونة من حلقات مختلطة عشوائيًا من خمس وست وسبع وثماني ذرات. ومن هذه الصفيحة، قاموا ببناء شكلين افتراضيًا: أنبوب نانوي، وهو عبارة عن أسطوانة، ولفافة نانوية، والتي تشبه ورقة ملفوفة ذات نهايات مفتوحة. ولاختبار حدود هذه الهياكل، أخضع الباحثون هذه الهياكل الرقمية لنوعين من الإجهاد. أولاً، قاموا بسحبها بعيدًا عن بعضها البعض لمعرفة مدى قدرتها على التمدد قبل الانكسار. ثانيًا، قاموا بتسخينها لمعرفة درجة الحرارة التي ستذوب عندها وتتفكك. ومن خلال مقارنة هذه النسخ غير المتبلورة بنظيراتها المثالية والمنتظمة، أمَل الفريق في فهم ما إذا كان الاضطراب الطبيعي للمادة سيجعلها ضعيفة أم أنها ستستطيع الصمود أمام متطلبات التطبيقات الواقعية.

كشفت نتائج المحاكاة عن اختلاف مذهل في كيفية تعامل هذه المواد مع عملية السحب. فعندما تم شد الأنابيب واللفافات المثالية والمنتظمة، صمدت بقوة حتى وصلت إلى نقطة حرجة، والتي انكسرت عندها فجأة وبشكل نظيف. أما النسخ غير المتبلورة، فقد تصرفت بشكل مختلف؛ فقبل أن تنكسر أخيرًا، دخلت في مرحلة غريبة غير مرنة حيث بدأت في التشوه بطريقة لم تظهرها الهياكل المثالية. وخلال عملية التمدد هذه، لاحظ الباحثون تشكل سلاسل خطية صغيرة من ذرات الكربون داخل المادة، وهي علامة على أن الهيكل الداخلي يعيد ترتيب نفسه تحت الضغط. ومن حيث القوة، كانت الهياكل المثالية هي الأكثر صلابة؛ إذ استطاعت الأنابيب النانوية المنتظمة التمدد بنحو 48 بالمائة من طولها الأصلي قبل الانكسار، بينما انكسرت الأنابيب غير المتبلورة عند حوالي 27 بالمائة. وبالمثل، صمدت اللفافات المنتظمة حتى تمدد بنسبة 34 بالمائة تقريبًا، بينما فشلت غير المتبلورة عند حوالي 24 بالمائة. وهذا يؤكد أنه على الرغم من أن المادة غير المنتظمة لا تزال قوية، إلا أنها ليست بالمرونة نفسها التي تتمتع بها النسخة الخالية من العيوب.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو أن شكل الجسم كان أقل أهمية بالنسبة للمادة غير المتبلورة مما هو عليه بالنسبة للمادة المثالية. فبالنسبة للهياكل المنتظمة، كان كونها أنبوبًا أو لفافة يحدث فرقًا كبيرًا في كيفية تفاعلها مع الإجهاد، مما يشير إلى أن هندسة الشكل تلعب دورًا رئيسيًا في سلوكها. أما بالنسبة للنسخ غير المتبللة، فقد تصرف الأنبوب واللفافة بنفس الطريقة تقريبًا؛ إذ بدا أن الفوضى الداخلية للذرات تطغى على تأثير الشكل، مما يجعل الاضطراب هو العامل المهيمن في سلوك المادة. ويشير هذا إلى أنه عندما يتم ترتيب ذرات الكربون عشوائيًا، فإن الطريقة المحددة التي يتم بها لفها تصبح أقل أهمية من حقيقة أنها مضطربة في المقام الأول.

كما تناولت الدراسة مدى قدرة هذه الهياكل على البقاء تحت تأثير الحرارة الشديدة. فقد قام الباحثون بتسخين النماذج الرقمية من درجة حرارة الغرفة وصولًا إلى 10,000 كلفن، وهي درجة حرارة أحر بكثير من سطح الشمس. وراقبوا متى ستفقد الهياكل الصلبة شكلها وتتحول إلى حالة تشبه الغاز. أثبتت الأنابيب النانوية المنتظمة أنها الأكثر مقاومة للحرارة، حيث صمدت حتى 6,300 كلفن قبل الذوبان. وكانت الأنابيب النانوية غير المتبلورة أقل استقرارًا قليلاً، حيث ذابت عند 5,500 كلفن. أما اللفافات، سواء كانت منتظمة أو غير متبلرة، فقد كانت أقل استقرارًا من الأنابيب، حيث ذابت عند 5,900 كلفن و5,100 كلفن على التوالي. ويشير هذا إلى أنه على الرغم من أن الهياكل غير المتبلورة أقل مقاومة للحرارة قليلاً من نظيراتها المثالية، إلا أنها لا تزال تمتلك استقرارًا حراريًا مذهلاً، وقادرة على تحمل درجات حرارة قد تدمر معظم المواد الأخرى.

في الختام، يقدم هذا العمل صورة واضحة لكيفية سلوك شكل جديد وفوضوي من الكربون عند تشكيله في هياكل نانوية مفيدة. وتظهر عمليات المحاكاة أنه على الرغم من أن الأنابيب واللفافات غير المتبلرة ليست بقوة أو مقاومة الحرارة للنسخ المثالية، إلا أنها لا تزال قوية للغاية. إن حقيقة أن الاضطراب في المادة يجعل الشكل أقل أهمية قد يكون في الواقع ميزة للتصنيع، حيث قد يسمح بمزيد من المرونة في كيفية إنتاج هذه المواد دون الحاجة إلى الحفاظ على ترتيب ذري مثالي. وتؤكد الأبحاث أن هذا الكربون المصنع حديثًا هو مرشح قابل للتطبيق للتقنيات المستقبلية، حيث يوفر توازنًا بين القوة والاستقرار يمكن أن يكمل العائلة الحالية من المواد النانوية القائمة على الكربون.