Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
تُبلغ هذه الدراسة عن أول تحديد بلوري مباشر لطور الكربون BC8 المتوقع منذ فترة طويلة كبلورة أحادية تشكلت من الكربون المنصهر تحت ضغوط تيراباسكال، مما يحل عقوداً من عدم اليقين بشأن بنيات الكربون فيما وراء الماس.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلف ولم يصادق عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعماق نوى كواكب مثل أورانوس ونبتون، وربما داخل قلوب عوالم بعيدة وغريبة، يوجد الكربون تحت ظروف تتحدى تجربتنا اليومية. فالضغوط هناك هائلة لدرجة أنها تُقاس بالتيراباسكال — وهي وحدة ضخمة يصعب تصورها، حيث تمثل قوى أكبر بملايين المرات من وزن الغلاف الجوي الذي يضغط علينا عند مستوى سطح البحر. وتحت هذا الوزن الساحق، يُتوقع أن تتغير أشكال الكربون المألوفة التي نعرفها، مثل الغرافيت الناعم في قلم الرصاص أو الماس الصلب في خاتم. ولعقود من الزمن، استخدم العلماء حواسيب قوية للتنبؤ بأنه عند هذه الأعماق السحيقة، يجب أن يعيد الكربون ترتيب نفسه في بنية جديدة أكثر كثافة تسمى BC8. ويُعتقد أن هذا الشكل النظري أكثر تراصاً من الماس، ومع ذلك، ورغم أربعين عاماً من البحث، لم يره أحد بشكل مباشر قط. وظل السؤال قائماً: هل توجد هذه المرحلة الخفية من المادة حقاً، أم أنها مجرد شبح رياضي؟
لقد أجاب فريق من الباحثين الآن على هذا السؤال من خلال تقديم أول دليل بلوري مباشر على كربون BC8. ولإيجاده، لم ينتظروا الطبيعة لتوفر الظروف؛ بل أعادوا خلقها في المختبر باستخدام ليزر عالي القدرة. فمن خلال إطلاق نبضة ضوئية قصيرة وكثيفة على بلورة واحدة من الماس، ولّدوا موجة صدمية انتقلت عبر المادة، وضغطتها إلى ضغوط تتراوح بين 1.1 و1.2 تيراباسكال. كانت هذه العملية سريعة جداً لدرجة أنها حدثت في جزء من مليار من الثانية، لكنها كانت سريعة بما يكفي لصهر الماس إلى حالة سائلة، ثم، مع ضعف موجة الصدمة، سمحت لذرات الكربون بالتبرد وإعادة التشكّل في مادة صلبة. وقد التقط الباحثون هذه اللحظة العابرة عبر إطلاق نبضة متزامنة من الأشعة السينية على العينة، والتي عملت مثل وميض كاميرا عالي السرعة، مما أدى إلى تجميد البنية الذرية في مكانها.
لم تكن الصور الناتجة أنماطاً ضبابية أو مشوهة كما قد يتوقع المرء من حدث فوضوي كهذا. بدلاً من ذلك، أنتجت الأشعة السينية نقاطاً حادة ومتميزة، تشبه الانعكاسات الواضحة التي تُرى عندما يسقط الضوء على حجر كريم مقطوع. هذه النقاط هي بصمة البلورة، ومن خلال قياس الزوايا والمسافات بينها، استطاع العلماء رسم خريطة للترتيب الدقيق لذرات الكربون. وقد طابق النمط الذي وجدوه الهندسة المتوقنة لبنية BC8 تماماً. كان هذا اختراقاً كبيراً لأن التجارب السابقة لم تكن قادرة إلا على التخمين حول البنية بناءً على إشارات واسعة وضبابية، أو أنها فشلت في رؤية أي طور جديد على الإطلاق. في هذه الدراسة، استطاع الباحثون إثبات أن الكربون قد تحول بالفعل إلى بلورة واحدة متماسكة من BC8، بدلاً من البقاء كألماس أو التحول إلى سائل غير منظم.
كما كشفت التجربة أيضاً عن شيء حاسم حول كيفية حدوث هذا التحول. فقد تبين أن مجرد عصر الكربون بالضغط ليس كافياً لإجباره على اتخاذ شكل BC8؛ إذ يجب أيضاً تسخين المادة ثم تبريدها بطريقة محددة. كان لا بد من صهر الماس أولاً، مما يمنح الذرات الحرية للتحرك حولها وإيجاد مواضعها الجديدة الأكثر تراصاً قبل أن تستقر في مكانها. يفسر هذا الاكتشاف سبب فشل المحاولات السابقة لإنشاء BC8؛ حيث كانت تلك التجارب غالباً ما تبقي الكربون في حالة صلبة طوال الوقت، مما يحبسه في شكله الماسي. ومن خلال توجيه الكربون عبر حالة سائلة، فتح الباحثون مساراً تستخدمه الطبيعة على الأرجح في الأجزاء الداخلية للكواكب.
وقد قُدرت كثافة كربون BC8 المرصود حديثاً بنحو 7.19 جرام لكل سنتيمتر مكعب، وهي قيمة تتوافق مع التنبؤات النظرية لهذا الطور عالي الضغط. وأشار الباحثون إلى أن البنية البلورية أظهرت تشوهات طفيفة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى الحرارة الشديدة والضغط غير المتساوي أثناء التجربة التي استغرقت جزءاً من الثانية، لكن الهوية الجوهرية للمادة كانت لا لبس فيها. إن هذا الاكتشاف لا يكتفي بتأكيد نظرية طال انتظارها فحسب، بل يوفر أيضاً معياراً ملموساً لفهم تكوين الكواكب الغنية بالكربون ويعزز معرفتنا بكيفية سلوك المواد تحت أكثر الظروف تطرفاً التي يمكن تخيلها. كما أنه يفتح الباب أمام دراسات مستقبلية، مما يشير إلى أنه إذا تمكن العلماء من تعلم كيفية التقاط هذه المادة والحفاظ عليها، فقد يتمكنون يوماً ما من دراسة خصائصها الفريدة، مثل ما إذا كانت أقسى من الماس أو كيف تنقل الكهرباء. وفي الوقت الحالي، انتقل البحث الذي استمر عقودات للعثور على طور BC8 من مجال المحاكاة الحاسوبية إلى واقع المختبر.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.