Dynamics and Structural Transformations of Carbon Onion-Like under High-Velocity Impacts

الكربون هو عنصر الحياة، ولكنه أيضًا عنصر المتناقضات. ففي الظروف المناسبة، يشكل الجرافيت الناعم الموجود في قلم الرصاص؛ وفي ظروف أخرى، يصبح أصلب مادة طبيعية على الأرض، وهي الألماس. وبين هاتين الحالتين المألوفتين، يمتد مشهد شاسع من الهياكل الغريبة، بما في ذلك كرات مجوفة صغيرة مكونة بالكامل من ذرات الكربون. هذه هي "الفوليرين"، والتي تُسمى غالبًا "بكي بولز" (buckyballs)، وعندما تستقر واحدة داخل الأخرى مثل دمى الماتريوشكا الروسية، فإنها تشكل "بصلات النانو الكربونية". لقد ظل العلماء مفتونين بهذه الأجسام لأن شكلها الفريد وخصائصها الإلكترونية تجعلها مرشحة واعدة لكل شيء، من التصوير الطبي إلى البطاريات المتقدمة. ومع ذلك، ظل هناك سؤال جوهري دون إجابة: ماذا يحدث عندما تُضرب هذه الكرات الرقيقة متعددة الطبقات بقوة هائلة؟ إن فهم كيفية تصرف هذه الهياكل تحت تأثير الاصطدام عالي السرعة ليس مجرد مسألة فضول؛ بل هو أمر ضروري لتصميم مواد يمكنها تحمل البيئات القاسية أو لاستخدام الاصطدامات عالية السرعة كأداة لإنشاء أشكال جديدة من المادة.

للإجابة على ذلك، لجأ فريق من الباحثين في البرازيل إلى تقنية محاكاة حاسوبية قوية تعامل كل ذرة كلاعب متميز. قاموا بنمذجة بصلات النانو الكربونية، بدءًا من غلاف واحد مكون من ستين ذرة وصولاً إلى هياكل ضخمة تحتوي على ست طبقات متداخلة تضم ما يقرب من ستة آلاف ذرة. ثم أطلقوا هذه الأجسام الافتراضية نحو سطح صلب وغير مرن بسرعات تتراوح من 2 إلى 7 كيلومترات في الثانية. هذا ليس نقرًا لطيفًا؛ ففي الحد الأدنى، تكون السرعة بالفعل ضعف سرعة رصاصة عالية الأداء، وفي الحد الأعلى، تقترب من سرعة نيزك يدخل الغلاف الجوي. ومن خلال مراقبة "الرقصة الذرية" وهي تتكشف في مختبرهم الرقمي، استطاع الباحثون ملاحظة كيف تمددت الروابط بين ذرات الكربون، وانكسرت، وأعيد تشكيلها تحت وطأة التحطم.

كشفت النتائج أن نتيجة هذا الاصطدام تعتمد كليًا على سرعة حركة بصلة النانو. ففي السرعات الأبطأ، حتى 2 كيلومتر في الثانية، يعمل الاصطدام تقريبًا مثل الارتداد؛ حيث تنضغط بصلة النانو قليلًا ضد السطح ثم ترتد، محتفظة بشكلها الكروي الأصلي مع وجود تشوهات طفية بسيطة فقط. تتحرك الذرات بما يكفي لامتصاص الطاقة، لكن الهيكل يظل سليمًا، تمامًا مثل كرة مطاطية تصطدم بحائط. ومع زيادة السرعة إلى نطاق متوسط يتراوح بين 3 و5 كيلومترات في الثانية، تتغير القصة بشكل دراماتيكي؛ إذ يصبح الاصطدام عنيفًا ودائمًا. تنهار الطبقات الخارجية لبصلة النانو نحو الداخل، وتجبر الضغوط الشديدة ذرات الكربون على إعادة ترتيب نفسها لتشكل نواة كثيفة تشبه الألماس. في هذه المنطقة الوسطى، يكون الاصطدام قويًا بما يكفي لسحق القشور المجوفة ولكن ليس قويًا لدرجة تحطيم المادة تمامًا، بل لصهر مركز أكثر صلابة داخل الحطام.

وعندما ترتفع السرعة لأعلى من ذلك، متجاوزة 5 كيلومترات في الثانية، تُدمر بصلة النانو تمامًا. يكون الاصطدام طاقيًا لدرجة أن الهيكل يتفتت إلى رذاذ فوضوي من الذرات. وبدلاً من جسم واحد أو نواة مضغوطة، ينتج عن الاصطدام سلاسل طويلة ونحيفة من ذرات الكربون، مما يحول الكرة الصلبة أساسًا إلى غاز من الخيوط الذرية الخطية. لاحظ الباحثون أيضًا أن الطريقة التي ينتقل بها الإجهاد عبر المادة فريدة من نوعها؛ فخلافًا لهياكل الكربون الأخرى، مثل الأنابيب النانوية، التي تميل إلى الانكسار عند نقاط ضعف محددة مثل حوافها أو مراكزها، تقوم بصلة النانو الكربونية بتوزيع الإجهاد بالتساوي عبر سطحها بالكامل. هذا التوزيع الموحد يعني أن المادة ليس لها نقطة كسر واحدة يمكن التنبؤ بها؛ بل إنها ببساطة تستسلم للضغط ككتلة واحدة.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة هو تحول الروابط الكيميائية نفسها. يمكن لذرات الكربون أن تترابط بطرق مختلفة، مما يخلق صفائح تشبه الجرافيت أو شبكات تشبه الألماس. قبل الاصطدام، كانت بصلات النانو مكونة بالكامل من النوع الشبيه بالجرافيت. وبعد اصطدامها بالسطح بسرعات متوسطة، أُجبر جزء كبير من هذه الروابط على التغير إلى النوع الشبيه بالألماس، مما خلق ذلك المركز الصلب. وفي السرعات القصوى، أصبحت الروابط مزيجًا فوضويًا من جميع الأنواع، مع تفكك المادة إلى سلاسل خطية. أظهرت عمليات المحاكاة أنه بغض النظر عن حجم بصلة النانو أو سرعة الاصطدام، فإن تحويل الطاقة كان ثابتًا بشكل ملحوظ. فقد تحولت الطاقة الحركية للجسم المتحرك إلى طاقة وضع مخزنة في الروابط المشوهة بمعدل حوالي 0.7 إلكترون فولت لكل ذرة. وهذا يشير إلى أن الفيزياء الأساسية لكيفية امتصاص هذه الهياكل للطاقة وتبديدها هي فيزياء عالمية، سواء كان الجسم صغيرًا أو كبيرًا.

توفر هذه النتائج خريطة واضحة لكيفية تفاعل بصلات النانو الكربونية مع القوى العنيفة عالية السرعة. يوضح البحث أن هذه الهياكل ليست مجرد قشور هشة، بل هي أنظمة ديناميكية قادرة على الخضوع لتغيرات هيكلية عميقة. يمكنها أن ترتد، أو تتحول إلى نوى تشبه الألماس، أو تتفكك إلى سلاسل ذرية، اعتمادًا على القوة المطبقة. تساعد هذه المعرفة العلماء على فهم حدود المواد القائمة على الكربون وتفتح الباب لإمكانية استخدام الاصطدامات عالية السرعة كوسيلة لتخليق مواد جديدة ذات خصائص مصممة خصيصًا، مثل إنشاء نوى تشبه الألماس داخل قشور مجوفة أو توليد سلاسل ذرية محددة للتقنيات المستقبلية. ويؤكد هذا العمل أنه حتى في خضم العنف الفوضوي لاصطدام عالي السرعة، فإن سلوك المادة يتبع قواعد دقيقة وقابلة للتنبؤ.