Highly Stable Glasses of cis-Decalin and cis/trans-Decalin Mixtures

الزجاج مادة تتحدى التصنيف البسيط؛ فهو مادة صلبة تفتقر إلى البنية المنتظمة والمتكررة للبلورات، ومع ذلك لا يتدفق كالسائل. بدلاً من ذلك، هو لقطة مجمدة لحالة مضطربة، حيث تكون الجزيئات محبوسة في مكانها لكنها تحتفظ بالترتيب الفوضوي للسائل. هذا الاضطراب ليس عيباً، بل هو ميزة تسمح للعلماء بضبط خصائص الزجاج عن طريق تغيير مكوناته. ومع ذلك، فإن طريقة صنع الزجاج تهم بقدر ما تهم مكوناته؛ فالزجاج الذي يُبرد بسرعة من سائل يكون عادةً أقل استقراراً ويحتوي على طاقة أكبر من ذلك الذي يُبرد ببطء. لعقود من الزمن، عرف الباحثون أنه إذا قمت بتبريد سائل ببطء شديد، أو تركته يتقادم لفترة طويلة، فإن الجزيئات ستجد المزيد من الوقت لتجد ترتيباً أكثر إحكاماً وكفاءة، مما ينتج عنه زجاج أكثر كثافة واستقراراً.

مؤخراً، اكتشف العلماء طريقاً مختصراً للوصول إلى هذه الحالة المثالية. فمن خلال ترسيب الجزيئات واحدة تلو الأخرى من بخار على سطح بارد، يمكنهم بناء طبقة زجاجية طبقة تلو أخرى. ومع هبوط كل جزيء جديد، فإنه يستقر على سطح لا يزال متحركاً، مما يسمح له بالتذبذب والاستقرار في مكان مثالي قبل أن تُدفن الطبقة تحت الطبقة التالية. هذه العملية تخلق ما يسمى "الزجاج فائق الاستقرار". هذه المواد متراصة بشكل جيد للغاية بحيث تبدو وكأنها قد بُرِّدت على مدار آلاف السنين، ومع ذلك يتم تشكيلها في غضون دقائق. حتى الآن، لم تُلاحظ هذه الظاهرة إلا في المواد النقية، وكان السؤال الكبير هو ما إذا كان بإمكان هذه الحيلة أن تنجح مع مخاليط من جزيئات مختلفة، وما إذا كان بإمكانها العمل مع مواد يصعب للغاية تحويلها إلى زجاج.

وضع فريق من الباحثين من جامعة ويسكونسن-ماديسون وجامعة روستوك هدفهم للإجابة على هذه الأسئلة باستخدام مادة تسمى "ديكالين". يأتي الديكالين في شكلين، يُعرفان باسم المتصاوغات (isomers): "سيس-ديكالين" و"ترانس-ديكالين". أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم إنشاء زجاج فائق الاستقرار من "سيس-ديكالين" النقي، ومن "ترانس-ديكالين" النقي، ومن مخاليط متنوعة من الاثنين معاً. استخدموا أداة متخصصة تسمى "النانو-كالوريميتر" (nanocalorimeter)، وهي حساسة بما يكفي لقياس السعة الحرارية لفيلم رقيق بسمك بضع مئات من النانومترات فقط. ومن خلال ترسيب البخار على سطح محتفظ بدرجات حرارة محددة ثم تسخين الفيلم بعناية، تمكنوا من مراقبة كيفية تحول الزجاج مرة أخرى إلى سائل.

كانت النتائج مذهلة. نجح الفريق في إنشاء زجاج فائق الاستقرار من "سيس-ديكالين" ومن مخاليط تحتوي على كلا الشكلين (سيس وترانس). ووجدوا أنه من خلال ترسيب المادة عند درجة حرارة تعادل تقريباً 85 بالمائة من نقطة انتقال الزجاج، يمكنهم إنتاج فيلم أكثر استقراراً بكثير من الزجاج المصنوع بمجرد تبريد السائل. وبالنسبة للمزيج بنسبة 50/50 بين الشكلين، كان الزجاج الناتج مستقراً للغاية لدرجة أنه استغرق وقتاً للتحول يعادل تقريباً 25,000 ضعف زمن الاسترخاء الطبيعي للسائل. ومن الناحية العملية، هذا يعني أن الزجاج كان مقاوماً للتغيير بشكل مذهل. كما كانت السعة الحرارية لهذه الزجاجات الجديدة أقل من الزجاج العادي، مما يشير إلى أن الجزيئات كانت متراصة بشكل أكثر إحكاماً وكفاءة.

ربما كان الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو أن هذه الطريقة نجحت مع خليط من جزيئين مختلفين. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تكوين زجاج مستقر من مزيج من المواد. اختبر الباحثون مخاليط بنسب مختلفة من شكلي الديكالين، من ربع أحد الأشكال إلى ثلاثة أرباع الآخر، ووجدوا أن الزجاج المستقر قد تشكل في جميع الحالات. وهذا يشير إلى أن القدرة على هندسة هذه المواد عالية الأداء لا تقتصر على المواد الكيميائية النقية والوحيدة. إنه يفتح الباب لهندسة زجاج بخصائص محددة بمجرد تعديل الوصفة. كما كشفت الدراسة أن حتى المواد الضعيفة جداً في تكوين الزجاج، مثل "ترانس-ديكالين" النقي، يمكن دمجها في زجاج مستقر إذا خلطت مع الشكل الآخر، بشراً أن يحتوي المزيج على ما يكفي من الشريك الأكثر تعاوناً.

ومع ذلك، لم تكن كل المحاولات ناجحة. فقد حاول الباحثون صنع زجاج مستقر من "ترانس-ديكالين" النقي، لكن المادة تبلورت قبل أن تتمكن من الاستقرار في حالة زجاجية. يسلط هذا الفشل الضوء على أنه بينما هذه الطريقة قوية، إلا أنها ليست عالمية؛ فبعض المواد ببساطة ترفض البقاء غير منظمة تحت هذه الظروف. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسة أن استقرار الزجاج يعتمد بشدة على درجة حرارة السطح أثناء الترسيب؛ فإذا كان السطح ساخناً جداً، فلن تتراص الجزيئات بإحكام كافٍ، وإذا كان بارداً جداً، فستتجمد في مكانها قبل أن تجد أفضل ترتيب لها. وقد وُجدت "النقطة المثالية" في نطاق ضيق من درجات الحرارة حيث تمتلك الجزيئات القدر الكافي من الحركة لتستقر بشكل مثالي.

تتحدى هذه النتائج الفكرة القائلة بأن الزجاج فائق الاستقرار هو مجرد فضول نادر يقتصر على جزيئات بسيطة ومحددة. يوضح العمل أن هذه الظاهرة قوية بما يكفي للتعامل مع المخاليط وحتى مع المواد الهشة جداً التي تقاوم عادةً تكوين الزجاج. كما نفى الباحثون إمكانية أن تكون هذه الخصائص المستقرة ناتجة عن بلورات صغيرة خفية تشكلت داخل الزجاج؛ فلو كان الأمر كذلك، لما كان من الممكن لمزيج من جزيئين مختلفين أن يشكل مثل هذا الهيكل الموحد والمستقر. وبدلاً من ذلك، تشير الأدلة إلى حالة غير متبلورة حقاً حيث تكون الجزيئات ببساطة متراصة بكفاءة استثنائية.

تمتد تداعيات هذا العمل إلى ما وراء المختبر. فللزجاج المستقر استخدامات محتملة في الإلكترونيات العضوية والصناعات الدوائية، حيث يكون استقرار المادة أمراً حاسماً للأداء وفترة الصلاحية. على سبيل المثال، تُباع العديد من الأدوية كمخاليط غير متبلورة لتحسين كيفية ذوبانها في الجسم، ولكن هذه المخاليط قد تكون غير مستقرة وعرضة للتبلور بمرور الوقت. إن القدرة على إنشاء زجاج مستقر من المخاليط تشير إلى طريقة جديدة لـ "قفل" هذه المواد في حالة متينة. ومن خلال فهم كيفية التحكم في تراص الجزيئات أثناء الترسيب، قد يتمكن العلماء من تصميم مواد أقوى وأكثر استقراراً وأكثر ملاءمة للتقنيات المتقدمة. تؤكد الدراسة أن القواعد التي تحكم هذه المواد أكثر مرونة مما كان يُعتقد سابقاً، مما يوفر مجموعة أدوات جديدة لعلوم المواد.