Wrinkles and Magnetic Flux Trapping in Graphite Nanoflakes: A Possible Source and Manifestation of Room-Temperature Superconductivity
تفيد هذه الورقة البحثية بأن الطحن الممتد والتلدين بالهواء لرقائق الغرافيت النانوية يؤديان إلى إحداث تجاعيد سطحية عالية الكثافة، والتي ترتبط باحتجاز التدفق المغناطيسي حتى درجة حرارة 390 كلفن، مما يشير إلى أن هذه العيوب هي مصدر الموصلية الفائقة الموضعية في درجة حرونة الغرفة.
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
على مدى عقود، طارد الفيزيائيون حلماً محدداً: العثور على مادة تنقل الكهرباء دون أي مقاومة على الإطلاق في درجة حرارة الغرفة. هذه الحالة، المعروفة باسم الموصلية الفائقة، تتطلب عادةً تبريد المواد إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، وهو شرط مكلف وصعب الحفاظ عليه. إذا استطاع العلماء إيجاد مادة تفعل ذلك في الظروف اليومية، فإن ذلك سيحدث ثورة في كيفية توليدنا للطاقة ونقلها، مما يقضي على الحرارة المهدرة الهائلة التي تعاني منها شبكات الطاقة والأجهزة الإلكترونية حالياً. وبينما معظم الموصلات الفائقة هي معادن أو سيراميك معقد، فقد اشتبه الباحثون لفترة طويلة في أن الكربون، وهو نفس العنصر الموجود في رصاص أقلام الرصاص والألماس، قد يحمل المفتاح. وقد أظهرت المواد القائمة على الكربون، وخاصة الجرافيت، تلميحات غريبة لهذا السلوك، لكن الأدلة كانت غالباً مجزأة، حيث تظهر فقط في بقع صغيرة ومعزولة بدلاً من المادة بأكملها. وكان التحدي يكمداً في فهم الميزة الهيكلية الدقيقة في الكربون التي تسمح له بتوصيل الكهرباء دون فقدان عند درجات الحرارة العالية هذه.
لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة كازان الفيدرالية في روسيا الآن خطوة مهمة نحو حل هذا اللغز من خلال النظر عن كثب في سطح رقائق الجرافيت. بدأوا بجرافيت كتل عادي وأخضعوه لعملية بسيطة مكونة من خطوتين: أولاً، قاموا بطحن المادة إلى رقائق دقيقة جداً، وثانياً، قاموا بتسخينها في الهواء. لقد فعل هذا العلاج شيئاً غير متوقع لسطح الجرافيت؛ فبدلاً من أن تظل الأوراق الصغيرة مسطحة، طورت كثافة عالية من التجاعيد، تماماً كما قد يستقر ورقة مجعدة في نمط محدد من الطيات. وعندما فحص الباحثون هذه الرقائق تحت مجاهر قوية، وجدوا أن هذه التجاعيد لم تكن عشوائية، بل شكلت شبكات متوازية ومنظمة عبر سطح المادة. والأهم من ذلك، عندما كرروا العملية ولكن مع تسخين الجرافيت في فراغ بدلاً من الهواء، لم تتشكل هذه التجاعيد، وظل السطح أملس نسبياً.
جاء الاكتشاف الحقيقي عندما اختبر الفريق كيفية تفاعل هذه العينات المختلفة مع المجالات المغناطيسية. قاموا بتبريد العينات ثم عرضوها لمجال مغناطيسي، وهو اختبار قياسي لمعرفة ما إذا كانت المادة يمكنها حبس خطوط القوة المغناطيسية. في عالم الفيزياء، تعتبر القدرة على حبس التدفق المغناطيسي علامة مميزة للموصلية الفائقة. ووجد الباحثون أن رقائق الجرافيت ذات التجاعيد الناتجة عن الهواء حبست المجالات المغناطيسية بقوة. والأكثر إثارة للدهشة، أن تأثير الحبس هذا استمر حتى عند رفع درجة حرارة العينة إلى 390 كلفن، أي حوالي 117 درجة مئوية، وهي درجة حرارة أعلى بكثير من نقطة تجمد الماء وأعلى من درجة حرارة الغرفة المعتادة. في المقابل، لم يظهر الجرافيت المطحون الذي لم يتم تسخينه أبداً، والجرافيت الذي سُخن في الفراغ، أي قدرة تذكر على حبس المجالات المغناطيسية. وقد أكد الفريق أن هذا الحبس المغناطيسي لم يكن ناتجاً عن تحول في التوازن المغناطيسي الداخلي للمادة، بل كان بسبب تيارات كهربائية مستمرة تتدفق داخل المناطق المتجعدة، مما أدى فعلياً إلى قفل المجال المغناطيسي في مكانه.
تشير الدراسة إلى وجود رابط مباشر بين الشكل الفيزيائي للمادة وخصائصها الكهربائية. ومن المرجح أن عملية الطحن قد أدخلت إجهاداً واضطراباً في طبقات ذرات الكربون، ثم سمح التسخين اللاحق في الهواء للمادة بتفريغ هذا الإجهاد من خلال طي نفسها على شكل تجاعيد. ويبدو أن هذه الطيات المحددة تخلق البيئة المثالية لحركة الإلكترونات دون مقاومة. وقد استبعد الباحثون فكرة أن هذا كان نتيجة لأن الجرافيت أصبح أنقى أو أكثر تنظيماً، حيث إن العينات المسخنة في الفراغ، والتي خضعت أيضاً لتغيرات هيكلية، لم تظهر نفس قدرة الحبس المغناطيسي. بدلاً من ذلك، يبدو أن الترتيب الفريد للتجاعيد في العينة المعالجة بالهواء هو مصدر هذا التأثير. وبينما يصف الباحثون هذا بأنه تجلٍ للموصلية الفائقة المحلية وليس تحولاً كاملاً لكتلة الجرافيت بأكملها، فإن النتائج توفر طريقة واضحة وقابلة للتكرار لإنشاء مناطق في الكربون توصل الكهرباء دون فقدان في درجات حرارة أعلى بكثير مما كان يُعتقد سابقاً أنها ممكنة لمثل هذه المواد. ويقدم هذا العمل تفسيراً ملموساً لسبب سلوك بعض هياكل الكربون كموصلات فائقة، مشيراً إلى أن التجاعيد نفسها هي المهندس الخفي لهذه الظاهرة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.