Optothermal Raman thermometry resolves grain-scale conductivity and aromatic ordering across the coal rank series

إن الفحم ليس مجرد صخرة سوداء تُحرق من أجل الحرارة؛ بل هو مادة طبيعية معقدة تعمل كنقطة انطلاق لكل شيء، بدءاً من توليد الكهرباء وصولاً إلى مكونات البطاريات المتقدمة. ولفهم كيفية سلوك الفحم عندما يتم تسخينه، أو تغويزه، أو تحويله إلى مواد أخرى، يجب على العلماء معرفة مدى جودة نقله للحرارة. ولعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية لقياس حركة الحرارة هذه هي أخذ قطعة كبيرة من الفحم، وسحقها، ثم ضغطها في كتلة، أو تشكيلها في شكل محدد. توفر هذه الطرق رقماً واحداً للعينة بأكملة، لكنها تخفي حقيقة جوهرية: وهي أن الفحم ليس متجانساً. فداخل حبة واحدة من الفحم، توجد مسام دقيقة، وأنواع مختلفة من المواد العضوية، وتضمينات معدنية، كلها تتفاعل لتبطئ أو تسرع تدفق الحرارة. ولأن الطرق القديمة تخلط كل هذه العوامل معاً، فقد كان من المستحيل رؤية كيف تنتقل الحرارة عبر اللبنات الأساسية الدقيقة للفحم نفسه، أو فهم كيف يتغير الهيكل الداخلي للصخرة مع مرور ملايين السنين لتصبح أكثر "نضجاً".

لقد نجح فريق من الباحثين الآن في حل هذه المشكلة من خلال النظر في حبيبات الفحم الفردية دون تغييرها بأي شكل من الأشكال. درسوا ثلاثة أنواع متميزة من الفحم: الأنثراسيت، وهو الأكثر صلابة ونضجاً؛ والأنثراسيت شبه الناضج، وهو في المنتصف؛ والليغنيت، وهو الأقل صلابة والأقل نضجاً. وبدلاً من ضغط هذه الصخور في كتل، وضعوا حبيبات مفردة غير مصقولة على شريحة واستخدموا تقنية ليزر عالية الحساسية. تعمل هذه الطريقة عن طريق تركيز شعاع ضوئي دقيق على سطح الحبة؛ حيث يعمل الضوء كمصدر للحرارة ومقياس للحرارة في آن واحد. وبينما يسخن الليزر البقعة، قام الباحثون بقياس كيفية تغير لون الضوء المنعكس من الفحم. يخبرهم هذا التحول بدقة مدى سخونة تلك البطة الصغيرة. ومن خلال مراقبة سرعة ارتفاع درجة الحرارة مع زيادة قدرة الليزر، تمكنوا من حساب سرعة قدرة الحبة على سحب تلك الحرارة بعيداً ونشرها. سمح لهم ذلك بقياس الموصلية الحرارية للحبة نفسها، بعيداً عن تداخل جيوب الهواء أو الاحتكاك بين قطع الفحم المختلفة.

كشفت النتائج عن فرق مذهل بين ما يحدث داخل حبة واحدة وما يحدث في كتلة كبيرة من الفحم. وجد الباحثون أن الحبيبات الفردية تنقل الحرارة بشكل أفضل بكثير من قيم الفحم الكلية التي تُذكر عادة في الكتب المدرسية. في الواقع، كانت الحبيبات أكثر كفاءة في نقل الحرارة بمقدار عشرة إلى مائة ضعف (مرتبة أو مرتبتين من القوى العشرية). ومن بين الأنواع الثلاثة، كانت حبة الأنثراسيت تنقل الحرارة بشكل أفضل بـثلاث مرات تقريباً من حبة الأنثراسيت شبه الناضج. ومع ذلك، كان الليغنيت هو الأكثر كفاءة على الإطلاق، حيث أظهر أعلى موصلية في المجموعة. قد يبدو هذا منافياً للمنطق، بما أن الليغنيت هو الأقل نضجاً، لكن الباحثين أوضحوا أن السبب يعود إلى أن حبة الليغنيت كانت مغطاة بتكتلات رخوة غنية بالمواد المتطايرة وتمتلك شبكة مسامية مفتة وغير منتظمة للغاية. سمحت هذه الميزات للحرارة بالهروب عبر آليات أخرى غير التوصيل البسيط عبر الصخر الصلب، مما أدى فعلياً إلى تضخيم القياس. وفي المقابل، كانت حبة الأنثراسيت شبه الناضج، التي احتوت على أكبر قدر من الرطوبة، هي الأسوأ في نقل الحرارة، مما يثبت أن الهيكل الداخلي والظروف السطحية للحبة هي التي تحدد كيفية انتقال الحر "وليس فقط التركيب الكيميائي".

ولفهم سبب وجود هذه الاختلافات، جمع الفريق بين قياسات الحرارة هذه ونظرة تفصيلية للهيكل الداخلي وكيمياء السطح للفحم. استخدموا تقنية تسمى "مطيافية رامان" لتحليل ترتيب ذرات الكربون داخل الحبيبات. ووجدوا أنه مع نضج الفحم من الليغنيت إلى الأنثراسيت، تنظم ذرات الكربون في صفائح مسطحة أكبر وأكثر ترتيباً. ارتبط هذا الترتيب الهيكلي مباشرة بمدى جودة نقل المادة للحرارة؛ فكلما كان هيكل الكربون أكثر ترتيباً، زادت كفاءة انتقال الحرارة من خلاله، وهي علاقة صحت مع حبيبات الأنثراسيت والأنثراسيت شبه الناضج. كما رسم الباحثون خريطة للجهد الكهربائي على سطح الحبيبات ووجدوا أن الأنثراسيت الأكثر نضجاً يمتلك نطاقاً أوسع بكثير من التباينات الكهربائية عبر سطحه مقارنة بالأنثراسيت شبه الناضج. وأشار هذا إلى أن الفحم الأكثر نضجاً يحتوي على نطاقات متميزة وكبيرة من الكربون المنظم، بينما كان الفحم الأقل نضجاً أكثر تجانساً من الناحية الكيميائية.

ولعل الاكتشاف الأكثر أهمية هو أن الباحثين استطاعوا التنبؤ بالخصائص الكيميائية الكلية للفحم بمجرد النظر في حبة واحدة. فقد اكتشفوا علاقة خطية مباشرة بين عرض إشارة محددة في تحليل الليزر الخاص بهم وكمية المواد المتطايرة في الفحم. والمواد المتطايرة هي مقياس رئيسي تستخدمه الصناعة لتحديد كيفية احتراق الفحم أو تحوله إلى كوك. ومن خلال قياس هيكل حبة واحدة، استطاعوا تقدير الخصائص الكلية لعينة الفحم بأكملها بدقة. يشير هذا إلى أن البنية الداخلية لحبة الفحم هي المحرك الأساسي لسلوكها. كما سلطت الدراسة الضوء على خلل كبير في الاختبارات التقليدية: وهي أن عملية ضغط الفحم في كتل للقياس تؤدي إلى إدخال مقاومة التلامس وحبس الرطوبة، مما يخفض الموصلية المقاسة بشكل كبير. وتظهر الطريقة الجديدة، التي لا تتطلب أي تحضير، أن مادة الفحم نفسها هي موصل أفضل بكثير مما كان يُعتقد سابقاً، وأن المقاومة التي تواجهها التطبيقات الواقعية تأتي إلى حد كبير من الفجوات والهندسة الموجودة بين الحبيبات، وليس من الحبيبات نفسها.

يوفر هذا العمل صورة أوضح لكيفية سلوك الفحم عند المقياس الذي تحدث فيه كيمياؤه فعلياً. فمن خلال قياس تدفق الحرارة، والنظام الهيكلي، والخصائص السطحية للحبيبات غير المحضرة، ربط الباحثون بين عالم الكربون المجهري والخصائص العيانية التي يستخدمها المهندسون لتصميم محطات الطاقة والبطاريات. لقد أظهروا أن طريقة توصيل الفحم للحرارة تحكمها أحجام وتنظيم هياكل الكربون الخاصة به، وأن القياسات الكلية التقليدية غالباً ما تغفل الإمكانات الحقيقية للمادة لأنها تهيمن عليها المساحات الموجودة بين الجزيئات. وبينما ركزت الدراسة على ثلاثة أنواع فقط من الفحم، فإن هذه الطريقة تقدم أداة قوية جديدة لفهم ليس فقط الفحم، بل أي وقود أو مادة قائمة على الكربون، مما يسمح للعلماء برؤية الطبيعة الحرارية والهيكلية الحقيقية للمادة دون تشويه ناتج عن تحضير العينات.