Language
Country/Area
No result found
الكربون غير المتبلور الغامض: لماذا هيكله فريد من نوعه؟
في علم المواد والكيمياء الحديثة، جذب الكربون غير المتبلور، باعتباره شكلًا خاصًا من الكربون، انتباه عدد لا يحصى من الباحثين. وهذا النوع من الكربون فريد من نوعه من حيث أنه لا يحتوي على أي بنية بلورية، مما يجعله مادة مرنة للغاية وقابلة للتغيير. غالبًا ما يشار إلى الكربون غير المتبلور ببساطة باسم aC، وعندما يقترن بالهيدروجين، يطلق عليه اسم aC:H أو الكربون غير المتبلور المهدرج (HAC)؛ الكربون غير المتبلور (HAC). في مجال العلوم الفيزيائية، كشفت دراسة الكربون غير المتبلور عن مجموعة متنوعة من التطبيقات المحتملة، بدءًا من الأجهزة الإلكترونية وحتى الطب الحيوي. إن الخصائص الفريدة للكربون غير المتبلور تجعله مادة تستحق الاستكشاف المتعمق.
قد تقوم المواد الكربونية غير المتبلورة بإزالة الروابط π الموجودة في الزوايا عن طريق الاتحاد مع الهيدروجين، وبالتالي تثبيت بنيتها.
في علم المعادن، يُستخدم مصطلح الكربون غير المتبلور لوصف الفحم والكربون المشتق من الكربيد وأشكال الكربون غير النقية الأخرى. هذه المواد ليست من الجرافيت أو الماس النموذجي. في حين أن هذه المواد ليست غير متبلورة تمامًا من الناحية البلورية، إلا أنها غالبًا ما تكون مواد متعددة البلورات مع الجرافيت أو الماس. في التطبيقات التجارية، غالبًا ما يحتوي الكربون غير المتبلور أيضًا على عناصر أخرى قد تشكل شوائب بلورية كبيرة، مما يزيد من تعقيد خصائص الكربون غير المتبلور.
مع تطور تقنيات ترسيب ونمو الأغشية الرقيقة الحديثة في النصف الثاني من القرن العشرين، مثل ترسيب البخار الكيميائي، والترسيب بالرش، وترسيب القوس الكاثودي، تم إنشاء مواد كربونية غير متبلورة حقًا. تمتلك هذه المواد إلكترونات باي موضعية، والتي لا تتشكل بأطوال متسقة مع المتآصلات الأخرى للكربون، مقارنة بروابط باي العطرية في الجرافيت. يحتوي الكربون غير المتبلور أيضًا على روابط متدلية عالية نسبيًا، والتي يمكن أن تسبب انحرافات في المسافات بين الذرات تزيد عن 5%، كما يمكن ملاحظة تغيرات كبيرة في زوايا الروابط.
تختلف خصائص أفلام الكربون غير المتبلورة اعتمادًا على المعلمات المستخدمة أثناء الترسيب.
تتمثل الطريقة الرئيسية لتوصيف الكربون غير المتبلور في قياس نسبة الروابط المختلطة sp2 وsp3 في المادة. يتكون الجرافيت بالكامل من روابط مختلطة sp2، بينما يتكون الماس بالكامل من روابط مختلطة sp3. عندما تكون نسبة الروابط المختلطة sp3 في المادة عالية، يُسمى هذا النوع من الكربون غير المتبلور أيضًا بالكربون غير المتبلور رباعي السطوح أو الكربون الشبيه بالألماس. وذلك لأن الشكل الرباعي الجوانب الذي تشكله الروابط المختلطة sp3 يجعل هذا النوع من المواد يتمتع بالعديد من الخصائص الفيزيائية المشابهة للماس. تجريبيا، يمكن تحديد نسبة sp2 إلى sp3 من خلال مقارنة الكثافات النسبية للقمم الطيفية المختلفة، بما في ذلك أطياف EELS وXPS ورامان.
من المثير للاهتمام أنه على الرغم من أنه يمكن إظهار تغير الخاصية أحادية البعد لمواد الكربون غير المتبلورة بين الجرافيت والماس بناءً على نسبة sp2 إلى sp3، إلا أن هذا البيان ليس صحيحًا في الواقع. يقدم البحث الحالي نظرة ثاقبة للخصائص والتطبيقات المحتملة لمواد الكربون غير المتبلورة. لا يمكن تجاهل أن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، القطران، موجودة بكميات كبيرة في الكيانات الكربونية المهدرجة اليومية (مثل الدخان وغبار المداخن والفحم المستخرج من المناجم مثل البيتومين والأنثراسيت) وبالتالي فهي جميعها تقريبًا مسببة للسرطان.
بالإضافة إلى ذلك، قدمت الأبحاث في السنوات الأخيرة أيضًا مادة كربونية غير متبلورة جديدة تسمى Q-carbon. يُقال إن الكربون Q، الذي يشار إليه بالكربون الملدن، هو مغنطيسي حديدي، وموصل، وأكثر صلابة من الماس، وقادر على إظهار الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية. في عام 2015، أعلن البروفيسور جاغديش نارايان وفريقه البحثي لأول مرة عن اكتشاف الكربون Q. لقد نشروا العديد من الأوراق البحثية حول تركيب وتوصيف Q-carbon، ولكن بعد عدة سنوات، لم يتم التحقق من خصائص هذه المادة بعد من خلال تجارب مستقلة.
وفقًا للباحثين، يُظهر Q-carbon بنية غير متبلورة عشوائية ومتشابكة في رابطة sp2 وsp3.
استخدم فريقهم نبضات ليزر النانو ثانية لإذابة الكربون ثم تبريده بسرعة لتكوين الكربون Q أو خليط من الكربون Q والماس. يمكن أن تتخذ المادة أشكالًا عديدة، بدءًا من الهياكل الشبيهة بالإبر النانوية وحتى أغشية الماس الكبيرة. كما أبلغوا عن تصنيع مواد مثل الماس النانوي الخالي من النيتروجين، ونيتريد كيو بورون، وإنشاء تقنية لتحويل الكربون إلى ألماس عند درجة الحرارة والضغط المحيطين. على الرغم من أنه في عام 2018، استخدم مجموعة من الباحثين في جامعة تكساس في أوستن عمليات المحاكاة لاقتراح تفسير نظري للموصلية الفائقة لـ Q-carbon في درجات الحرارة العالية، والمغناطيسية الحديدية، والصلابة، إلا أن هذه النتائج لم يتم تأكيدها من قبل الآخرين.
على أية حال، لا تزال الأبحاث حول الكربون غير المتبلور متعمقة، وهذا الشكل الخاص من مادة الكربون لديه إمكانات كبيرة. كيف سيؤثر التطور المستقبلي على حياتنا وتقنياتنا؟ ربما الزمن وحده هو الذي يستطيع أن يقدم لنا الإجابة؟
