Irida-Graphene: A New 2D Carbon Allotrope

منذ اكتشاف الغرافين، وهو طبقة واحدة من ذرات الكربون المرتبة في نمط خلية نحل، والعلماء مأخوذون بإمكانيات المواد ثنائية الأبعاد. هذه الورقة المسطحة التي لا يتعدى سمكها ذرة واحدة، أحدثت ثورة في فهمنا لكيفية سلوك المادة عند أصغر المقاييس، حيث قدمت مزيجًا فريدًا من القوة والمرونة والناقلية الكهربائية. وبسبب هذا النجاح، أمضى الباحثون سنوات في استخدام حواسيب قوية لتصميم نسخ جديدة من صفائح الكربون، متخيلين هياكل تختلف عن نمط خلية النحل القياسي. والهدف هو العثور على مواد قد تكون أفضل في مهام محددة، مثل تخزين الطاقة في البطاريات أو توصيل الكهرباء في الأجهزة الإلكترونية المستقبلية. ومن خلال إعادة ترتيب ذرات الكربون في أشكال مختلفة، بما في ذلك حلقات بعدد مختلف من الجوانب، يأمل العلماء في فتح آفاق لخصائص فيزيائية جديدة لا توجد في الطبيعة بعد.

في دراسة حديثة، اقترح فريق من الباحثين من جامعة برازيليا شكلاً جديداً اصطناعياً بالكامل للكربون يسمى "إيريدا-غرافين" (Irida-Graphene). لم يقوموا بإنشاء هذه المادة في مختبر؛ بل بنوها ذرة بذرة داخل محاكاة حاسوبية لمعرفة ما إذا كان بإمكانها الوجود وكيف ستتصرف. يأتي الاسم من الطريقة التي يشبه بها نمطها الذري زهرة معينة، وهي عشب "نيفادا بلو-آيد غراس" (Nevada Blue-Eyed Grass)، التي تتميز بترتيب مميز للبتلات. صمم الباحثون هذه الورقة الجديدة لتكون مكونة بالكامل من ذرات الكربون المرتبطة معاً في طبقة مسطحة، ولكن على عكس خلية النحل المنتظمة في الغرافين، يدمج تصميمهم حلقات من ثلاث وست وثماني ذرات. هذا الترتيب المحدد يخلق بنية مسامية تشبه الشبكة أراد الفريق اختبار استقرارها وأدائها.

لفهم ما إذا كان بإمكان هذه المادة أن تتماسك، أجرى الفريق عمليات محاكاة معقدة تتبعت كيفية تحرك الذرات وتفاعلها تحت ظروف مختلفة. تحققوا أولاً من اهتزازات الذرات للتأكد من أن الهيكل مستقر ولن يتفكك من تلقون. أظهرت النتائج أن المادة مستقرة بالفعل، حيث ظلت جميع اهتزازاتها الذرية إيجابية ومتسقة. ثم أخضعوا الورقة الافتراضية لحرارة شديدة، حيث رفعوا درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة حتى 10,000 كلفن. كشفت المحاكاة أن المادة يمكنها تحمل الحرارة الشديدة، محتفظة بشكلها المسطح وسلامتها حتى وصلت إلى نقطة انصهار قدرها 4,176 كلفن. هذه الدرجة قريبة بشكل ملحوظ من نقطة انصهار الغرافين القياسي، مما يشير إلى أن "إيريدا-غرافين" قوي في مواجهة الحرارة تماماً مثل قريبه الشهير.

اختبر الباحثون أيضاً مدى قوة هذه الورقة الكربونية الجديدة عن طريق سحبها في اتجاهات مختلفة حتى انكسرت. وجدوا أن المادة قوية، لكنها تتصرف بشكل مختلف اعتماداً على الاتجاه الذي تُسحب فيه. فعند شدها في اتجاه واحد، يمكنها تحمل قوة تبلغ حوالي 80 جيجاباسكال قبل أن تتشوه، بينما في الاتجاه العمودي، تتحمل حتى 113 جيجاباسكال. هذا الاختلاف يعني أن المادة "تباينية الخواص" (anisotropic)، أي أن قوتها تتغير بناءً على اتجاه القوة، وهي سمة تنبع مباشرة من هيكل حلقاتها الفريد. ورغم أنها ليست بقوة الغرافين، الذي يمكنه التعامل مع قوى تصل إلى حوالي 1,000 جيجاباسكال، إلا أن قوتها تضاهي مواد الكربون المصممة حديثاً الأخرى. وأظهرت عمليات المحاكاة أنه عندما تنكسر المادة أخيراً، فإنها تفعل ذلك عن طريق تكوين شقوق تنتشر بسرعة، لكن العملية قابلة للتنبؤ ومتسقة.

بعيداً عن قوتها الفيزيائية، استكشفت الدراسة كيفية تفاعل هذه المادة مع الكهرباء والضوء. أشارت عمليات المحاكاة إلى أن "إيريدا-غرافين" هو معدن، مما يعني أنه يوصل الكهرباء بشكل جيد جداً دون أي فجوة بين مستويات طاقته. ومن الميزات المثيرة للاهتمام التي وُجدت في النموذج الحاسوبي هي نقطة محددة في هيكل طاقتها، حيث تتصرف الإلكترونات بطريقة فريدة، تشبه تلك المشاهدة في مواد الكربون المتقدمة الأخرى. وعندما سلط الفريق الضوء على المادة الافتراضية، اكتشفوا أنها تمتص الضوء بقوة في منطقتين محددتين: الأشعة تحت الحمراء والجزء البنفسجي من الطيف. إنها تمتص الضوء البنفسجي بفعالية كبيرة لدرجة أنها لا تعكس منه أي شيء تقريباً، بينما تعكس حوالي نصف الأشعة تحت الحمراء التي تصطدم بها. هذا الامتصاص العالي للضوء البنفسجي يشير إلى إمكانية استخدام المادة لجمع الطاقة من ذلك الجزء المحدد من طيف الضوء، لتعمل كمجمع عالي الكفاءة للفوتونات البنفسجية.

لا يزال العمل المقدم في هذه الدراسة مقترحاً نظرياً، يستند إلى نتائج النماذج الحاسوبية بدلاً من عينة فيزيائية ملموسة باليد. لقد أظهر الباحثون أن ورقة كربون بهذا الهيكل المكون من حلقات (3-6-8) ليست ممكنة فحسب، بل تمتلك أيضاً مزيجاً رائعاً من الاستقرار الحراري، والقوة الاتجاهية، والخصائص البصرية الفريدة. ومن خلال إثبات إمكانية وجود مثل هذه المادة واستقرارها تحت ظروف قصوى، توفر الدراسة مخططاً تجريبياً للتجارب المستقبلية. إنها تدعو المتخصصين في التجارب لمحاولة تخليق "إيريدا-غرافين"، آملين في تحويل هذا التصميم الرقمي إلى مادة واقعية يمكن أن تساهم يوماً ما في الجيل القادم من تقنيات تخزين الطاقة والإلكترونيات.