Phonon spectra and vibrational heat capacity of quasi-one-dimensional structures formed by rare gas atoms on the surface of carbon nanotube bundles

تخيل عالماً لا تكون فيه المادة كتلة صلبة، بل مجموعة من الخرزات الصغيرة المهتزة المرتبطة معاً مثل لآلئ في عقد. في عالم الفيزياء، هذه الخرزات هي الذرات، وعندما تترتب في خط واحد طويل، فإنها تشكل ما يسميه العلماء بنية أحادية الأبعاد. هذه الهياكل مثيرة للاهتمام لأنها تسلك سلوكاً مختلفاً عن المواد ثلاثية الأبعاد التي نلمسها كل يوم؛ فاهتزازاتها، التي تحمل الحرارة، تتبع قواعد فريدة. ومع ذلك، فإن خطاً واحداً من الذرات غير مستقر بطبيعته ولا يمكن أن يوجد بمفرده في الطبيعة. وللحفاظ على هذا الخط من التفكك، يجب تثبيته بواسطة سطح، وهو عبارة عن ركيزة تعمل كدعامة. وهنا تأتي قصة أنابيب الكربون النانوية. هذه الأنابيب عباً عن أسطوانات مجهرية مصنوعة من الكربون، وعندما تُجمع معاً، تخلق أخاديد عميقة وضيقة على سطحها. وتعمل هذه الأخاديد كمسارات مثالية لذرات الغازات النادرة، مثل الهيليوم أو النيون، لتستقر فيها وتُشكل سلاسل طويلة ومستقرة. إن فهم كيفية اهتزاز هذه السلاسل وكيفية تخزينها للحرارة أمر بالغ الأهمية لتطوير التقنيات المستقبلية، بما في ذلك الحواسيب الكمومية، حيث يكون التحكم الدقيق في الطاقة على المستوى الذري أمراً ضرورياً.

في دراسة حديثة، استكشف باحثون من معهد "ب. فيركن" لفيزياء درجات الحرارة المنخفضة والهندسة في أوكرانيا، بدقة كيف تتصرف هذه السلاسل الذرية عندما يتم ضغطها أو تمديدها بواسطة السطح الذي ترتكز عليه. ركز الفريق على حقيقة أن المسافة بين الذرات في السلسلة نادراً ما تكون المسافة "المثالية" التي ستستقر فيها بشكل طبيعي إذا كانت تطفو بحرية في الفضاء. بدلاً من ذلك، غالباً ما تجبر أخاديد حزمة أنابيب الكربون النانوية الذرات على الاقتراب من بعضها البعض أكثر مما تفضل، مما يخلق سلسلة مضغوطة. استخدم الباحثون نماذج رياضية متقدمة لمحاكاة اهتزازات هذه السلاسل، وحساب كيفية تحرك الذرات ذهاباً وإياباً وكيف تترجم هذه التحركات إلى قدرة المادة على الاحتفاظ بالحرارة. واكتشفوا أنه عندما تكون السلسلة مضغوطة، فإن طبيعة القوى بين الذرات تتغير بطريقة محددة. إذ تدفع الذرات بعضها البعض بقوة أكبر في الاتجاهات العمودية على خط السلسلة، وهي ظاهرة تُعرف بالتفاعل غير المركزي. هذا القوة التنافرية تنقل أدنى تردد اهتزاز ممكن للسلسلة إلى قيمة أقل، مما يغير فعلياً "الصوت" الكامل الذي يمكن للسلسلة إصداره.

يتعلق أهم اكتشاف لهذا العمل بكيفية تأثير هذه التغييرات على السعة الحرارية للمادة، وهي مقياس لمدى الطاقة المطلوبة لرفع درجة حرارتها. في السلسلة العادية غير المضغوطة، ترتفع السعة الحرارية بطريقة يمكن التنبؤ بها مع زيادة درجة الحرارة، لتتبع في النهاية خطاً مستقيماً على الرسم البياني. ومع ذلك، وجد الباحثون أنه في السلسلة المضغوطة، يبدأ هذا السلوك الخطي عند درجة حرارة أقل بكتمت كثير. فالضغط يؤدي أساساً إلى خفض العتبة التي تبدأ عندها الذرات في الاهتزاز بطريقة تمتص الحرارة بكفاءة. علاوة على ذلك، بحثت الدراسة فيما يحدث عندما لا تكون السلسلة مثالية. في العالم الحقيقي، لا يكون سطح حزمة الأنابيب النانوية أملساً تماماً، ويمكن أن تختلف المسافة بين الذرات قلي الطفيف في نقاط معينة، مما يخلق عيوباً محلية. وأظهر الباحثون أن هذه العيوب تعمل كمصائد للاهتزازات. ففي السلسلة المضغوطة، يمكن لهذه العيوب أن تخلق حالات اهتزاز منفصلة ومعزولة توجد تحت النطاق الرئيسي للترددات. هذه الاهتزازات المحاصرة تشبه نغمات إضافية منخفضة الطاقة يمكن للسلسلة أن تغنيها.

إن وجود هذه النغمات الإضافية منخفضة الطاقة له تأثير عميق على الخصائص الحرارية للمادة. ولأن هذه الحالات المنفصلة تتطلب طاقة ضئيلة جداً لتنشيطها، فإنها تسمح للسلسلة بامتصاص الحرارة حتى في درجات الحرارة المنخفضة للغاية. ويؤدي هذا إلى امتداد الجزء الخطي من منحنى السعة الحرارية إلى مستويات أدنى في مقياس درجات الحرارة. وبتعبير أبسط، تظل المادة حساسة لأي كميات ضئيلة من الحرارة لفترة أطول مما لو كانت السلسلة مثالية أو غير مضغوطة. وقد أكد الباحثون هذه التأثيرات من خلال الحسابات التحليلية والمحاكاة العددية على حد سواء، موضحين أن الجمع بين الحالة المضغوطة والعيوب المحلية يخلق بصمة اهتزازية فريدة. كما أثبتوا أن المسافة بين الذرات، التي يحددها ركيزة الكربون، هي العامل الأساسي في تحديد ما إذا كانت هذه السلاسل ستظهر هذه الخصائص الحرارية غير العادية. وتخلص الدراسة إلى أن استقرار وسلوك الحرارة لهذه الهياكل شبه أحادية الأبعاد مرتبط بعمق بالإجهاد الميكانيكي الذي تفرضه ركيزتها وبالترتيب المحدد للذرات داخل السلسلة. إن هذا الفهم التفصيلي لكيفية تأثير تباعد الذرات وعيوب السطح على تدفق الحرارة يوفر صورة أوضح للفيزياء الأساسية التي تحكم هذه الأنظمة النانوية، مما يوفر أساساً متيناً للتجارب المستقبلية والتطبيقات المحتملة في علم المواد.