HPHT growth of centimeter-sized cubic boron nitride crystals
باستخدام حفاز مذيب قائم على النيكل والكروم وطريقة تدرج درجة الحرارة تحت الضغط والحرارة العالية، نجح الباحثون في تنمية بلورات أحادية من نيتريد البورون المكعب تتجاوز 10 مم عبر الحفاظ على تدفق مستقر للمواد السلائف لمدة أسبوع عند 1950 درجة مئوية، مما أدى إلى ظهور مورفولوجيات مستطيلة تُعزى إلى انخفاض الانتشار الفعال لأنواع البورون والنيتروجين.
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 عالماً تكون فيه المواد مثل الأبطال الخارقين، لكل منها مجموعة فريدة من القوى. في عالم المواد "المتطرفة"، يبرز عملاقان: الألماس ونيتريك البورون المكعب (cBN). كلاهما شديد الصلابة، ويمكنهما تحمل الحرارة الشديدة، ويسمحان للضوء بالمرور من خلالهما. فكر فيهما كأنهما الدرع النهائي للآلات أو النوافذ المثالية لأجهزة الليزر القوية. الألماس هو المشهور، والمعروف ببريقه وصلابته التي لا تضاهى، لكن لديه نقطة ضعف: يبدأ في الاحتراق والتفتت في الهواء إذا أصبح ساخناً جداً، عند حوالي 800 درجة مئوية. أما نيتريك البورون المكعب فهو القريب القوي والأقل بهرجة، والذي لا يمانع الحرارة؛ فهو يظل قوياً حتى فوق 1400 درجة مئوية. ولجعل هذه المواد مفيدة للمهام الكبيرة، يحتاج العلماء إلى زراعتها كبلورات أحادية عملاقة ومثالية، وليس مجرد حبيبات صغيرة. التحدي يكمن في أن زراعة هذه البلورات تشبه محاولة خبز كعكة ضخمة ومثالية في قدر ضغط يكون أكثر سخونة من بركان وتحت ضغط أقوى من قاع المحيط. لعقود من الزمن، استطاع العلماء فقط زراعة بلورات صغيرة من نيتريك البورون المكعب، بينما نمت بلورات الألماس بشكل أكبر بكثير. كان السؤال هو: لماذا لم يستطع نيتريك البورون المكعب اللحاق به؟
تحكي هذه الورقة قصة كيف تمكن فريق من العلماء أخيراً من زراعة بلورات من نيتريك البورونات المكعب يزيد عرضها عن 10 ملم — أي أكثر من ثلاثة أضعاف الرقم القياسي السابق! لقد استخدموا طريقة تسمى "الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية" (HPHT)، وهي في الأساس طريقة منمقة لقول إنهم ضغطوا وسخنوا خليطاً من المكونات حتى تحول إلى بلورة عملاقة. "الخلطة السرية" كانت خليطاً معدنياً سائلاً خاصاً (مذيباً) يتكون في الغالب من النيكل والكروم، والذي عمل مثل شاحنة نقل، تحمل لبنات البناء (البورون والنيتروجين) إلى البلورة النامية. حافظ الباحثون على تشغيل هذا "الفرن" عند درجة حرارة حارقة بلغت 1950 درجة مئوية لمدة أسبوع كامل (168 ساعة). وكانت النتيجة بلورة نقية جداً لدرجة أن هيكلها الداخلي كان شبه مثالي، وهي حقيقة أثبتها اختبار ليزر يسمى "مطيافية رامان" الذي أظهر إشارة حادة جداً.
ومع ذلك، لاحظ العلماء شيئاً غريباً. فبينما كانت بلورات الألماس التي زرعوها في نفس الآلة مستديرة وكتلية (مثل حجر نرد مثالي)، كانت بلورات نيتريك البورون المكعب طويلة وممتدة، مثل كرة الرغبي أو قطعة النقانق. تشير الورقة إلى أن هذا حدث لأن لبنات بناء نيتريك البورون المكعب (البورون والنيتروجين) أصبحت "لزجة" قليلاً داخل المعدن السائل. فبينما كانت تتحرك، تفاعلت مع المعدن، مما أدى إلى إبطاء سرعتها. وهذا يعني أنها لم تكن تسافر للأعلى وللأسفل بسهولة كما يفعل الكربون في نمو الألماس. بدلاً من ذلك، مالَت إلى التراكم بالقرب من المصدر والانتشار جانبياً، مما جعل البلورة تنمو بشكل أطول في اتجاه واحد أكثر من الآخر. لم يكتفِ الفريق بالتخمين؛ بل قاموا بقياس الشكل وقارنوه ببلورات الألماس لرؤية الفرق. كما استبعدوا فكرة أن طريقتهم الجديدة كانت مجرد ضربة حظ؛ حيث أظهروا أنه من خلال التحكم الدقيق في درجة الحرارة والخليط المعدني، يمكنهم زراعة هذه البلورات العملاقة باستمرار دون أن تتكسر أو تشكل تكتلات فوضوية. يشير هذا النجاح إلى أنه مع مزيد من الضبط لجعل "شاحنات النقل" أقل لزوجة، قد نرى قريباً بلورات أكبر وأكثر مثالية في الشكل من نيتريك البورون المكعب، جاهزة لتصبح الجيل القادم من المواد فائقة القوة والمقاومة للحرارة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.