🔬 materials science

Two New Molecular Nitrogen Phases near Megabar Pressures

حدد الباحثون وصفوا طورين جديدين من النيتروجين الجزيئي شبه المستقر، وهما $t\zeta$ -N $_2$ و $\xi$ -N $_2$ ، بالقرب من ضغوط الميغابار باستخدام تجارب خلية سندان الماس، وحيود الأشعة السينية لبلورة أحادية، والحسابات النظرية.

المؤلفون الأصليون: Alexander F. Goncharov, Elena Bykova, Iskander Batyrev, Maxim Bykov, Huawei Chen, William Palfey, Mahmood Mohammad, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Jesse S. Smith

نُشر 2026-04-21

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Alexander F. Goncharov, Elena Bykova, Iskander Batyrev, Maxim Bykov, Huawei Chen, William Palfey, Mahmood Mohammad, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Jesse S. Smith

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل غاز النيتروجين ليس كالهواء غير المرئي الذي نتنفسه، بل كراقص صغير مفعم بالحيوية. في الضغط العادي، يمسك هؤلاء الراقصون (جزيئات النيتروجين) أيدي بعضهم البعض في أزواج، ويدورون بحرية وفوضوية. ولكن ماذا يحدث عندما تضغط عليهم بقوة تجعل الضغط أكبر بملايين المرات من الضغط الجوي؟ يتوقفون عن الرقص العشوائي ويبدأون في تشكيل هياكل معقدة وصلبة.

تتحدث هذه الورقة عن اكتشاف العلماء لـ "تشكيلتين راقصتين" جديدتين ومعقدتين للغاية، تنشئهما جزيئات النيتروجين عندما تُضغط تحت ضغوط هائلة (بالقرب من نطاق "الميغابار"، وهو ما يعادل الضغط في مركز الأرض).

إليك قصة اكتشافهما، مقسمة إلى مفاه### 1. الإعداد: قدر ضغط صغير
استخدم العلماء خلية سندان الماس (DAC). تخيل أنك تأخذ قطعتين مثاليتين من الماس وتضغط عليهما بقطعة صغيرة من رقاقة معدنية (مثل الفضة أو النحاس) موضوعة بينهما. قاموا بضخ غاز النيتروجين في هذه الفجة الصغيرة وضغطوه حتى وصل الضغط إلى 78 إلى 98 جيجاباسكال (GPa). وهذا يعادل تقريبًا مليون ضعف الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر.

ولجعل الجزيئات تعيد ترتيب نفسها، لم يكتفوا بالضغط فحسب؛ بل قاموا أيضًا بتسخين العينة باستخدام الليزر، مما حول النيتروجين إلى سائل ساخن للحظة قبل تركه يبرد بسرعة (التبريد المفاجئ/Quenching). الأمر يشبه هز مرطبان مليء بالكرات الزجاجية ثم تجميده فورًا لرؤية النمط الذي سيستقر عليه.

2. الاكتشاف: "قلاع كريستالية" جديدة

عادةً، عندما يضغط العلماء النيتروجين، يتوقعون أن يتحول إلى هيكل صلب بسيط أو ينتهي به الأمر إلى بوليمر ضخم (مثل سلسلة طويلة). لكن هذه المرة، وجدوا هيكلين جديدين معقدين للغاية ومفاجئين لم يسبق رؤيتهما من قبل.

الاكتشاف الأول: برج "السطح الثلاثي" ( $t\zeta$ -N₂)

التشبيه: فكر في مبنى سكني قياسي (طور $\zeta$ -N₂ المعروف). له تصميم محدد للغرف. وجد العلماء نسخة جديدة من هذا المبنى تبدو متطابقة تقريبًا من الخارج، ولكن إذا نظرت إلى مخطط الطوابق، ستجد أن المبنى أطول بثلاث مرات.
العلم: هذا الطور الجديد، المسمى $t\zeta$ -N₂، هو "متعدد الأشكال" (Polytype). له نفس التماثل للطور القديم، لكن وحدة الخلية (الكتلة المتكررة من البلورة) أطول بثلاث مرات. وهو يحتوي على 96 ذرة نيتروجين في كتلة واحدة صغيرة.
لماذا يهم هذا: الأمر يشبه العثم على علية سرية في منزل كنت تظن أنك تعرفه تمامًا. يعتقد العلماء أن هذا هو في الواقع طور " $\kappa$ -N₂" الغامض الذي رآه باحثون آخرون من قبل لكنهم لم يستطيعوا تفسيره بدقة. يبدو أنه نسخة أكثر استقرارًا من الهيكل القديم عندما يُضغط بقوة كافية.

الاكتشاف الثاني: فندق "المضيف والضيف" ( $\xi$ -N₂)

التشبيه: تخيل خلية نحل حيث تكون بعض الخلايا السداسية فارغة، وداخل تلك الخلايا الفارغة، وضعت خلايا نحل أخرى. أو فكر في فندق يحتوي مبناه الرئيسي على أنفاق طويلة مجوفة تمر عبره، وداخل تلك الأنفاق، يوجد ضيوف (جزيئات نيتروجين) يعيشون في سلسلة منفصلة، محاطين تمامًا بجدران "المضيف".
العلم: هذا الطور، المسمى $\xi$ -N₂، سداسي الشكل. يتميز بهيكل "المضيف والضيف"؛ حيث تشكل الجزيئات الخارجية قفصًا، وفي الداخل، توجد سلاسل من جزيئات النيتروجين تطفو في قنوات أسطوانية.
الرقم القياسي: هذا هو الهيكل الأكثر تعقيدًا للنيتروجين الذي تم العثين عليه على الإطلاق، حيث يحتوي على 112 ذرة في وحدة خلوية واحدة. إنه يشبه بناء بلورة من 56 زوجًا من الراقصين، مرتبين جميعًا في نمط مزدحم ومحدد للغاية.

3. كيف حلوا اللغز

كان العثور على هذه الهياكل يشبه محاولة حل أحجية صور مقطوعة ثلاثية الأبعاد (Jigsaw puzzle) حيث القطع غير مرئية والصندوق يهتز.

الأداة: استخدموا حيود الأشعة السينية لبلورة منفردة (Single-Crystal X-ray Diffraction). تخيل تسليط شعاع ليزر فائق السطوع وصغير جدًا (أشعة سينية) عبر الماس. ترتد الأشعة السينية عن ذرات النيتروجين وتنشئ نمطًا من النقاط على كاميرا.
التحدي: نظرًا لأن الهياكل ضخمة ومعقدة للغاية، كانت الأنماط غير منظمة. الطرق السابقة (مثل النظر في المسحوق أو مجرد الاستماع إلى الاهتزازات) لم تكن حساسة بما يكفي. ولكن من خلال استخدام شعاع أشعة سينية مركز على بلورة واحدة مثالية، استطاعوا رسم خريطة دقيقة لمكان كل ذرة بالضبط.
التأكيد: استخدموا أيضًا مطيافية رامان (Raman spectroscopy) (الاستماع إلى "اهتزازات" الجزيئات) والمحاكاة الحاسوبية لإثبات أن هذه الهياكل حقيقية ومستقرة.

4. لماذا يهم هذا

النيتروجين موجود في كل مكان، ولكن تحت الضغط الشديد، يتصرف ككائن متغير الهيئة.

الاستعارة: فكر في مخطط طور النيتروجين كخريطة لغابة كثيفة. لسنوات، اعتقدنا أننا نعرف جميع الفتحات الواضحة. تقول هذه الورقة: "في الواقع، هناك كهفان مخفيان في وسط الغابة فاتنا اكتشافهما".
المستقبل: فهم هذه الحالات المعقدة والمستقرة يساعد العلماء على فهم كيفية سلوك المواد تحت الظروف القاسية. كما يقربنا من فهم كيف يمكن للنيتروجين أن يتحول في النهاية إلى صلب بوليمري (سلسلة ضخمة من ذرات النيتروجين)، والذي يمكن أن يكون مصدر طاقة قويًا للغاية إذا تمكنا من صنعه والحفاظ على استقراره عند الضغط العادي.

الملخص

باختاً، من خلال ضغط النيتروجين بين الماس وتسخينه، اكتشف العلماء هيكلين بلوريين جديدين ومزدحمين للغاية. أحدهما نسخة من "البرج الطويل" لهيكل معروف، والآخر عبارة عن فندق "قفص داخل قفص". تظهر هذه الاكتشافات أنه حتى بالنسبة لغاز بسيط مثل النيتروجين، فإن عالم فيزياء الضغط العالي مليء بالمفاجآت والتعقيدات الخفية.

1. بيان المشكلة

يُظهر النيتروجين تنوعاً هيكلياً استثنائياً تحت الضغط العالي، لا سيما بالقرب من مرحلة الانتقال من الترابط الجزيئي إلى الترابط البوليمري. وعلى الرغم من التقدم الكبير في علوم الضغط العالي خلال العقد الماضي، إلا أن مخطط طور النيتروجين لا يزال غير مكتمل الخرائط، ويتميز بالتعقيد في حالات الاستقرار المتبدل (metastability) والحواجز الحركية.

التحدي: اعتمدت الدراسات السابقة بشكل كبير على حيود الأشعة السينية للمساحيق (XRD) ومطيافية رامان (Raman spectroscopy)، والتي غالباً ما تفتقر إلى الدقة اللازمة لحل الهياكل الجزيئية المعقدة ذات وحدات الخلايا الكبيرة. كما أن التنبؤ بالهيكل القائم على المبادئ الأولية محدود بسبب الحجم الهائل والتماثل لهذه الأطوار المحتملة.
الفجوة: بينما تم تحديد عدة أطوار (مثل $\epsilon$ ، $\zeta$ ، $\iota$ ، $\theta$ )، فإن وجود أطوار جزيئية معقدة للغاية وغير مستقرة حرارياً (metastable) بالقرب من عتبة البلمرة (بالاقتراب من 1 ميجابار) لا يزال غير مؤكد. وتحديداً، كانت طبيعة طور $\kappa$ -N $_2$ والأطوار الجزيئية الأخرى المحتملة تتطلب تأكيداً هيكلياً حاسماً.

2. المنهجية

استخدم المؤلفون مزيجاً من التقنيات التجريبية المتقدمة والحسابات النظرية لاكتشاف وتوصيف أطوار النيتروجين الجديدة.

الإعداد التجريبي:
- خلية سنديان الماس (DAC): أُجريت التجارب باستخدام خلايا سنديان الماس متماثلة مع سدادات من الرينيوم (Re).
- تحضير العينة: تم تحميل غاز النيتروجين عند 0.15 جيجا باسكال. واستُخدمت ممتصات حرارية معدنية غير تقليدية (رقائق الفضة والنحاس) لتسهيل التسخين بالليزر بكفاءة ومنع احتجاز الأطوار منخفضة الحرارة المحتجزة حركياً.
- التسخين بالليزر: تم تسخين العينات إلى 1300–3000 كلفن باستخدام ليزرات الأشعة تحت الحمراء القريبة. وفرت هذه الطاقة الحرارية للنيتروجين القدرة على التحول إلى سائل، مما سمح بتفاعلات سريعة والوصول إلى الأطوار غير المستقرة حرارياً (metastable) التي يصعب الوصول إليها عبر الضغط وحده.
- حيود الأشعة السينية لبلورة أحادية (SCXRD): أُجريت في خطوط أشعة مصدر فوتون متقدم (APS) (HPCAT وGECARS). تم تركيز حزم الأشعة السينية أحادية اللون (0.33–0.41 أنجستروم) في بقع بحجم 1–3 ميكرومتر. كانت هذه التقنية حاسمة لحل وحدات الخلايا المعقدة للأطوار الجديدة.
- مطيافية رامان: استُخدمت لسبر اهتزازات الروابط الجزيئية (vibrons) وأنماط الشبكة لتأكيد نتائج حيود الأشعة السينية (XRD) وتحديد انتقالات الطور.
الدعم النظري:
- الحسابات القائمة على المبادئ الأولية: استُخدمت نظرية دالة الكثافة (DFT) باستخدام كود CASTEP (GGA/PBE) لحساب المحتوى الحراري (enthalpy)، ومنحنيات تشتت الفونون، وأطياف رامان.
- تحليل الاستقرار: تم إنشاء منحنيات المحتوى الحراري-الضغط لتقييم الاستقرار الديناميكي الحراري للأطوار الجديدة بالنسبة للأطوار المعروفة ( $\zeta$ ، $\iota$ ، $\theta$ ).

3. المساهمات الرئيسية والنتائج

تفيد الدراسة باكتشاف وحل الهيكل لطورين جزيئيين من النيتروجين لم يكونا معروفين سابقاً: $\xi$ -N $_2$ و $t\zeta$ -N $_2$ .

أ. طور $\xi$ -N $_2$ (سداسي)

ظروف التصنيع: تشكّل عن طريق التسخين بالليزر لـ $\zeta$ -N $_2$ عند 78 جيجا باسكال بوجود الفضة (Ag).
الهيكل البلوري:
- التماثل: سداسي، المجموعة الفراغية $P6cc$.
- وحدة الخلية: تحتوي على 112 ذرة (56 جزيء N $_2$ )، مما يضع رقماً قياسياً جديداً لعدد الجزيئات في وحدة خلية النيتروجين.
- معاملات الشبكة: $a = b = 14.105(3)$ Å، $c = 4.786(1)$ Å.
- البنية: بنية مضيف-ضيف (host–guest) معقدة حيث تُحصر السلاسل الجزيئية داخل قنوات أسطوانية تشكلها بنية إطار محيطة. تميل الجزيئات بالنسبة للمحور $c$ . ويظهر أحد المواقع اضطراباً كبيراً، تم نمذجته بإشغال بنسبة 1/3 عبر ثلاثة مواضع.
- البصمة الطيفية: تُظهر أطياف رامان أنماط شبكة أكثر اتساعاً وضعفاً مقارنة بـ $\zeta$ -N $_2$ ، وهو ما يتوافق مع العدد الكبير من الأنماط النشطة في رامان المتوقعة حسب نظرية المجموعات.

ب. طور $t\zeta$ -N $_2$ (متعدد الأشكال أحادي الميل)

ظروف التصنيع: تشكّل عن طريق التسخين بالليزر لـ $\zeta$ -N $_2$ عند 98 جيجا باسكال بوجود النحاس (Cu).
الهيكل البلوري:
- التماثل: أحادي الميل، المجموعة الفراغية $C2/c$ (نفس $\zeta$ -N $_2$ ).
- وحدة الخلية: تحتوي على 96 ذرة (48 جزيء N $_2$ ).
- العلاقة بـ $\zeta$ -N $_2$ : هو متعدد أشكال (polytype) لـ $\zeta$ -N $_2$ مع محور $c$ مُضاعف ثلاث مرات ( $c \approx 14.6$ Å مقابل $\approx 4.8$ Å في $\zeta$ -N $_2$ ).
- التعديل الهيكلي: ينشأ تضخم وحدة الخلية من تعديل في توجهات الجزيئات. وتحديداً، تميل الجزيئات بالنسبة للمستوى $ac $، وهي ميزة غائبة في$ \zeta $-N$ _2$ القياسي.
التحديد: يقترح المؤلفون أن $t\zeta$ -N $_2$ يمثل طور $\kappa$ -N $_2$ الذي تم الإبلاغ عنه سابقاً ولكن دون تأكيد هيكلي فوق 120 جيجا باسكال. إن الانتقال من $\zeta$ -N $_2$ إلى $t\zeta$ -N $_2$ بطيء في درجة حرارة الغرفة ولكنه يتسارع بالتسخين المتوسط.

ج. الرؤى الديناميكية الحرارية والحركية

الاستقرار: تشير حسابات المبادئ الأولية إلى أن كلا الطورين الجديدين غير مستقرين حرارياً (metastable) بالنسبة لطور $\theta$ $θ$ -N $_2$ $_{2}$ (السلف البوليمري المتوقع) ولكنهما يتنافسان مع $\zeta$ $ζ$ -N $_2$ $_{2}$ و $\iota$ $ι$ -N $_2$ $_{2}$ .
- يُعد $\xi$ -N $_2$ ثاني أكثر الأطوار الجزيئية استقراراً في نطاق 30–80 جيجا باسكال.
- يصبح $t\zeta$ -N $_2$ أكثر استقراراً قليلاً من $\zeta$ -N $_2$ فوق ~35 جيجا باسكال.
الحركية: يتأثر تشكل هذه الأطوار بشدة بالظروف الحركية (معدل التسخين، درجة الحرارة، واختيار الممتص المعدني)، مما يسلط الضوء على أن مخطط طور النيتروجين عالي الضغط أغنى مما كان يُعتقد سابقاً بسبب الاحتجاز الحركي لحالات متعددة الأشكال (metastable) متنوعة.

4. الأهمية

التعقيد الهيكلي: يثبت اكتشاف أطوار تحتوي على 56 و48 جزيئاً لكل وحدة خلية قدرة حيود الأشعة السينية للبلورة الواحدة (SCXRD) على حل بلورات جزيئية معقدة للغاية كانت خارج نطاق الحيود للمساحيق أو التنبؤ النظري وحده.
دقة مخطط الطور: تملأ هذه النتائج الفجوات الحرجة في مخطط طور النيتروجين عالي الضغط، لا سيما بالقرب من الانتقال الجزيئي-البوليمري. وهي تشير إلى أن المسار نحو البلمرة ليس انتقالاً مباشً بل يتضمن مشهداً معقداً من الوسائط الجزيئية غير المستقرة حرارياً (metastable).
إعادة تفسير البيانات السابقة: إن تحديد $t\zeta$ -N $_2$ كمرشح محتمل لطور $\kappa$ -N $_2$ المراوغ يحل الالتباسات السابقة في دراسات النيتروجين عالية الضغط.
التقدم المنهجي: تثبت هذه الدراسة أن استخدام الممتصات الحرارية المعدنية (Cu, Ag) مقترنة بالتسخين بالليزر في خلايا سنديان الماس (DAC) هي طريقة قوية للوصول إلى الأطوار الجزيئية غير المستقرة حرارياً (metastable) وتثبيتها.

في الختام، يوسع هذا العمل بشكل كبير من التنوع الهيكلي المعروف للنيتروجين تحت الضغط، ويثبت أن مخطط الطور أكثر تعقيداً وثراءً في الحالات المتعددة الأشكال (metastable) مما كان مفهوماً سابقاً، مدفوعاً بالعوامل الحركية والتعديلات الهيكلية الدقيقة.