عالم عجائب الكربون(*)

يُعدُّ الگرافين، وهوشكل من الكربون تمّ عزله حديثا، مصدرا غنيا لفيزياء أساسية حديثة ولتطبيقات عملية مهمة.

<K.A.جايم> ـ <Ph.كيم>

ربماقد يكون مفاجئا حتى تعهد حتى أداة الكتابة الشائعة ـ «قلم الرصاص المتواضع» ـ قد تصدّرت في وقت من الأوقات قائمة الضرورات ذات التقانة العالية. ففي الواقع، كان قلم الرصاص البسيط هذا بمثابة عتاد استراتيجي يُمنع تصديره. وربما تستغرب أكثر ما ينطق من أنه حدثا سطر إنسان سطرا بقلم رصاص، هجر أثرا يتضمن شذرات من المادة الجديدة الأكثر إثارة في الفيزياء والتقانة النانوية ألا وهي: الگرافين graphene.

يشتق الگرافين من الگرافيت، وهو«رصاص» القلم: نوع من الكربون النقي المكون من طبقات محددة من ذرات الكربون المتوضّع بعضها فوق بعض. لقد عهدت البنية الطبقية للگرافيت منذ قرون عديدة، وكان من الطبيعي حتى يقوم الفيزيائيون وفهماء المواد بمحاولة فصم هذا الفلز للحصول على الصفائح المكونة له ـ على الأقل من أجل دراسة مادة تتمتع بهندسة ذات بساطة رائعة. وكان الگرافين الاسم الذي أطلق على صفيحة مفردة من هذه الصفائح. تتألف الصفيحة بأكملها من ذرات كربون مترابطة معا في شبكة من سداسيات hexagons متكررة ضمن مستومفرد سمكه ذرة كربون واحدة.

ولكن بمرور السنين، باءت جميع المحاولات التي جرت لتحضير الگرافين بالفشل. وتمثَّلت المقاربة المبكرة الأكثر انتشارا في إدخال جزيئات متباينة بين المستويات الذرية للگرافيت ابتغاء فصمها عن بعضها ـ باستخدام تقانة سميت التقشر الكيميائي chemical exfoliation. وعلى الرغم من حصول انفصال لطبقات الگرافين من الگرافيت في بعض المراحل الانتنطقية من العملية، فإنه لم يجر قط تحديد هويتها. وبدلا من ذلك كان المنتج النهائي المتولد يظهر كوحل من جسيمات particles الگرافيت ـ لا يختلف كثيرا عن السخام أوهباب الفحم soot الرطب. وقد تلاشى الاهتمام بالتقشر الكيميائي نهائيا.

وسرعان ما قام المجربون بعد ذلك بمحاولة تبني مقاربة تكون أكثر مباشرة، إذ قاموا بفصم بلورات الگرافيت إلى رقاقات(1) يتناقص سمكها باطراد، بكشط هذه البلورات أوحكّها على سطح آخر. وعلى الرغم من بدائية هذه التقنية التي تسمى التشطُّر الميكروميكانيكي micromechanical cleavage، فقد صَلُحَت بشكل مذهل. واستطاع الباحثون تقشير أغشية من الگرافيت مؤلفة من أقل من 100 مستوٍ ذري. عملى سبيل المثال، قام الفيزيائيون الألمان بجامعة Aachen RWTH في عام 1990 بعزل أغشية من الگرافيت ذات درجة من الرقة تكفي لجعلها شفافة ضوئيا.

وبعد مرور عقد من الزمن، تمكن أحدنا (كيم) [وكان حينذاك طالب دراسات عليا في جامعة كولومبيا]، يعمل مع <Y.زانگ>، من تعديل كيفية التشطُّر الميكروميكانيكي، بحيث توصل إلى نسخة من قلم رصاص عالية التقانة ـ هي من طبيعة الحال قلم رصاص نانوي nanopencil. وقد كانت الكتابة بالقلم النانوي تعطي شرائح من الگرافيت لا يزيد سمكها على بضع عشرات من الطبقات الذرية [انظر المؤطر في الصفحة 73]. وهنا ظلَّت النتيجة تتمثل في گرافيت رقيق وليس گرافين. وما من أحد تسقط بحق حينذاك وجود مادة كهذه في الطبيعة.

وفي عام 2004 تمّ إلغاء هذه الفرضية التشاؤمية؛ إذ قام أحدنا (جايم) ـ بالتعاون مع باحث كان حينذاك يعمل في فترة ما بعد الدكتوراه، يسمى S.K.نوکوسيلوف، ومساعدوه في جامعة مانشستر في إنكلترا ـ بدراسة مقاربات مختلفة لصنع عينات من الگرافيت أقل سمكا. وفي ذلك الوقت، كانت معظم المختبرات قد بدأت بمثل هذه المقاربات باستخدام السخام soot لهذه الغاية؛ ولكن <جايم> ومساعديه شرعوا مصادفة في استعمال جذاذات(2) من حتات debris ناتج من فصم الگرافيت بقوة ماسية. لقد ألزقوا ببساطة قشرة من حتات الگرافيت على شريط بلاستيكي دبق، ومن ثم فصلوا الشريط على نحويشطر القشرة إلى قشرتين. وعندما كان المجربون يكررون هذه العملية كانت الشدف الناتجة تزداد رقة [انظر المؤطر في الصفحة 75]. وحالما حصل الباحثون على الكثير من الشدف قاموا بفحصها بدقة شديدة ـ وأصيبوا بالدهشة عندما تبين لهم حتى بعض الشدف كانت بسمك ذرة واحدة فقط. وكذلك تبين، خلافا لتسقطاتهم، حتى جذاذات الگرافين الناتجة تمتلك نوعية بلورية عالية الجودة وأنها مستقرة كيميائيا حتى في درجة حرارة الغرفة.

لقد أدى الاكتشاف التجريبي للگرافين إلى اهتمام بحثي دولي عارم. فالمادة ليست فقط هي الأكثر رقة بين المواد المعروفة جميعها، بل هي أيضا شديدة القوة والقساوة، والأهم من ذلك أنها بشكلها النقي أسرع إيصالية للإلكترونات في درجة حرارة الغرفة من أي مادة أخرى. ويقوم حاليا المهندسون في جميع مختبرات العالم بدراسات متمعنة لهذه المادة لفهم إمكان تصنيعها في منتجات كتراكيب composites فائقة التحمل ووسائط عرض ذكية smart displays وترانزستورات فائقة السرعة وحواسيب كمومية نقطية quantum-dot computers.

وفي الوقت ذاته، فإن الطبيعة الفريدة للگرافين بالمقياس الذري تتيح للفيزيائيين التعمُّق في ظواهر توجب دراستها اللجوء إلى الفيزياء الكمومية النسبية. إذا البحث في مثل هذه الظواهر، التي يُغرق بعضها في غرابة طبيعته، كان مقصورا على الفيزيائيين الفلكيين وفيزيائيي الجسيمات العالية الطاقة الذين يعملون بمقاريب telescopes تبلغ تكلفتها عدة ملايين من الدولارات أوبمسرعات الجسيمات البالغة تكلفتها عدة بلايين من الدولارات؛ في حين حتى الگرافين يمكّن التجريبيين من اختبار تسقطاتهم في الميكانيك الكمومي النسبي بواسطة جهاز يوضع على سطح طاولة المختبر.

تتضمن جميع خطة قلم رصاص في جميع يوم كميات صغيرة جدا من الگرافين الذي يمثل إحدى المواد «الجديدة» الأكثر إثارة في الفهم والهندسة.

تعرََّف فصيلة الگرافين

أمام الانتشار الواسع الذي نشهده اليوم لقلم الرصاص، يظهر من اللافت للنظر حتى ما أصبح يعهد بالگرافيت لم يؤدِّ أي دور في الحضارات القديمة، مثل الحضارتين الصينية والإغريقية. فالگرافيت النقي لم يُعهد إلا في القرن السادس عشر، حين اكتشف الإنكليز مكامن كبيرة منه، وأطلق عليه يوم ذاك اسم پلومباگوplumbago (وتعني باللاتينية «فلز الرصاص»). وقد اتضح في الحال إمكان استعماله في الخط والكتابة. ولم يدخر الإنكليز الوقت لتحويله إلى بديل سهل الاستخدام عوضا عن الريشة والحبر. وسرعان ما أصبح قلم الرصاص الصرعةَ السائدة في أوساط المثقفين الأوروبيين.

ولكن لم يتبين حتى الپلومباگوهوكربون وليس رصاصا إلا في عام 1779 على يد الكيميائي السويدي K.شييليه. وبعد ذلك بنحوعقد من الزمن، اقترح الجيولوجي الألماني K.A.فيرنر حتى تسمية هذه المادة گرافيتا يعد أنسب، وهي تشتق من الحدثة اليونانية «يخط». وفي الوقت ذاته، اكتشف مصنعوالعتاد العسكري استخداما آخر لهذا الفلز المتفتت: لقد وجدوا أنه يشكل بطانة مثالية لقوالب صب قذائف المدافع. وأصبح هذا الاستعمال من الأسرار العسكرية الشديدة الكتمان. عملى سبيل المثال، قام التاج البريطاني أثناء حروب نابليون بحظر تصدير الگرافيت وأقلام الرصاص إلى فرنسا.

وفي العقود الحديثة استعاد الگرافيت بعضا من مكانته التقانية الرفيعة الشأن عندما اكتشف الباحثون الخواص والتطبيقات المحتملة لعدد من الأشكال الجزيئية للكربون الموجودة في المواد الگرافيتية العادية غير المعروفة سابقا. وكان أولَ هذه الأشكال جزيءٌ له شكل كرة القدم أطلق عليه اسم «كرة بَكي» buckyball، اكتشفه الكيميائيان الأمريكيان R.كيرل وE.R.سمالي في عام 1985 بالترافق مع زميلهما الإنگليزي H.كروتو. وبعد ذلك بست سنوات، اكتشف الفيزيائي الياباني S.إيجيما تجمعات أسطوانية من ذرات الكربون تشبه قرص العسل honeycomb سميت الأنابيب النانوية nanotubes. وعلى الرغم من حتى عددا من الباحثين كانوا قد أعربوا حصولهم على الأنابيب النانوية في عهود سابقة، فإنهم لم يدركوا أهميتها في ذلك الوقت. لقد جرى تصنيف هذين الشكلين الجديدين في فئة الفولّرينات fullerenes. (أطلق هذا الاسم وكذلك مصطلح «كرة بكي» تخليدا لاسم المنظِّر والمهندس المعماري الأمريكي Buchminster Fuller الذي تفهم هذه الأشكال قبل اكتشافها العملي.)

سياج قفص دجاج جزيئي

يتشارك الگرافيت والفولّرينات والگرافين في الترتيب البنيوي الأساسي للذرات المكونة لها. تبدأ جميع بنية من هذه البنى بست ذرات كربون مرتبط بعضها ببعض ارتباطا كيميائيا وثيقا لتؤلف شكلا سداسيا منتظما ـ يسميه الكيميائيون حلقة البنزين benzene ring.

يقع الگرافين ذاته في المستوى التالي من التنظيم، فهوتجمع كبير لحلقات البنزين التي تتصل ببعضها معضلة صفيحة من سداسيات منتظمة تشبه شبكة السياج الذي يحيط عادة بقفص دجاج [انظر المؤطر في هذه الصفحة]. وتبنى الأشكال الگرافيتية الأخرى انطلاقا من الگرافين. ويمكن النظر إلى كرات «بكي» وإلى عدد كبير من الفولّرينات الأخرى غير الأنبوبية على أنها صفائح من الگرافين جرى رزمها بشكل كرات تامة وكروانيات متطاولة elongated spheroids ذرية المقياس؛ أما الأنابيب الكربونية النانوية فهي أساسا صفائح من الگرافين جرى لفها على شكل أسطوانات لامتناهية في الصغر. وكما ذكرنا سابقا، فإن الگرافيت هوتكدس ثخين ثلاثي الأبعاد لصفائح الگرافين، وتتماسك هذه الصفائح بعضها مع بعض بواسطة قوى تجاذبية بين جزيئية ضعيفة تسمى قوى کاندرفالس. إذا هذا الاقتران الضعيف بين صفائح الگرافين المتجاورة هوالذي يجعل الگرافيت سهل التفتت إلى شرائح صغيرة جدا تؤدي إلى حدوث الأثر الذي يظهر على الورقة عندما يخط المرء بقلم الرصاص.

أدى اكتشاف الگرافين إلى فيض عارم من الاهتمام البحثي العالمي.

ويتضح الآن ـ وإن كان إدراك ذلك اتى متأخرا ـ حتى الفولّرينات، رغم أنها لم تعهد إلا حديثا، كانت في متناول اليد على الدوام. فهي موجودة على سبيل المثال في السخام (الهباب) الذي يكسوأغلفة أجهزة الشواء وإن كانت بكميات صغيرة جدا. وبالطريقة ذاتها، فإن بعض الگرافين لابد وأنقد يكون موجودا في جميع أثر خطة قلم ـ على الرغم من حتى ذلك لم يُلحظ عبر أزمان مديدة. ولكن منذ اكتشاف الفولّرينات أَوْلى المجتمع الفهمي جميع هذه الجزيئات ما تستحقه من الاهتمام.

وتُعد كرات «بكي» متميزة لكونها بشكل رئيسي مثالا لجزيء من نوع حديث أساسي، إضافة إلى كونها ذات تطبيقات مهمة وبخاصة في توصيل الدواء. وتجمع الأنابيب النانوية جملة من خواص غير اعتيادية ـ كيميائية وإلكترونية وميكانيكية وبصرية وحرارية ـ ألهمت تشكيلة واسعة من التطبيقات الممكنة. وتتضمن هذه المبتكرات مواد قد تحل محل السيليكون في الشيپات الميكروية وخيوطا يمكن حبكها لتعطي كبلات cables خفيفة الوزن وفائقة المتانة. ومع حتى الگرافين ـ أصل جميع الأشكال الگرافيتية ـ قد أصبح في حد ذاته جزءا من هذه الرؤى منذ عدد من السنين، فإنه على ما يظهر سيقدم تبصرات أوفر في الفيزياء الأساسية وتطبيقات تقانية أكثر فتنةً من أبناء عمومته الكربونيين.

استثناء استثنائي

يتمتع الگرافين بصفتين تجعلانه مادة استثنائية. الأولى، هي حتى الگرافين، على الرغم من بدائية الطرق التي لا تزال تستعمل في تحضيره، يبدي جودة عالية بشكل رائع ـ تنجم عن اجتماع نقاوة محتواه من الكربون مع الانتظام الشديد للشبيكة lattice التي تترتب فيها ذرات الكربون التابعة له. وحتى الآن، فشل الباحثون في إيجاد عيب ذري واحد في الگرافين ـ لنقل، مثلا، شاغر واحد في بعض المواقع الذرية في الشبيكة أوذرة واحدة خارج مكانها. ويبدوحتى هذا الانتظام البلوري الكامل ينشأ عن قوة الروابط التي تجمع بين ذرات الشبيكة وعن مرونتها العالية في الوقت ذاته، وهذا يفضي إلى مادة أقسى من الألماس، ومع ذلك تسمح للمستويات بالانحناء لدى تطبيق قوة ميكانيكية. وتمكن هذه المرونة من احتواء البنية على كمية كبيرة من التشوه قبل حتى يجب على الذرات المؤلفة لها إعادة ترتيبها لتتأقلم مع الجهد المطبق عليها.

وكذلك فإن جودة شبيكته البلورية هي المسؤولة أيضا عن خاصة التوصيل الكهربائي العالي التي يتمتع بها الگرافين؛ إذ تستطيع إلكتروناته الانتنطق من دون حتى تتشتت بعمل عيوب الشبيكة أوبسبب وجود ذرات خارجية فيها. وحتى الإعاقة الناتجة من ذرات الكربون المحيطة والتي يجب حتى تتحملها إلكترونات الگرافين في درجة حرارة الغرفة، فإنها تكون صغيرة نسبيا بسبب القوة الكبيرة للروابط بين الذرية.

أما الصفة الاستثنائية الثانية التي يتمتع بها الگرافين، فتتجلى في إلكتروناته الموصلة التي (إضافة إلى انتنطقها من دون إعاقة كبيرة ضمن الشبيكة) تتحرك بسرعة أكبر بكثير من السرعة التي تتجول بها إلكترونات المعادن العادية وأشباه الموصلات (أنصاف النواقل)، وتبدووكأن لها كتلة أقل بكثير من كتلة إلكترونات هذه المعادن وأشباه الموصلات. وبالعمل، فإن إلكترونات الگرافين (وربماقد يكون مصطلح «موصلات الشحنة الكهربائية» أكثر ملاءمة) تمثل مخلوقات عجيبة تعيش في عالم شاذ ذي قواعد تشبه قواعد الميكانيك الكمومي النسبي. إذا ذلك النوع من التآثر interaction داخل جسم صلب، كما يعهد الجميع حتى الآن، فريد من نوعه في الگرافين. وبفضل هذه المادة الغريبة لقلم الرصاص، فإن الميكانيك الكمومي النسبي لم يعد مقتصرا على الفلكيين أوفيزيائيي الطاقات العالية، فقد ولج الآن المختبر.

انفجار أعظم في أرض مُسطّحة كربونية

ولكي نتمكن من تقدير السلوك الغريب لحاملات الشحنة الكهربائية في الگرافين، فقد يحدث من المفيد مقارنته بالكيفية التي تتحرك بها الإلكترونات في موصل اعتيادي. إذا الإلكترونات «الحرة» التي تولد التيار الكهربائي في معدن على سبيل المثال لا تكون في الواقع حرة، فهي لا تسلك سلوك إلكترونات تتحرك في الخواء. إذا الإلكترونات تحمل من طبيعة الحال شحنة سالبة، ولذلك عندما تتحرك في معدن ما تهجر عوزا في الشحنة لدى ذرات المعدن التي انطلقت منها. إلى غير ذلك عندما تتحرك الإلكترونات ضمن الشبيكة، فإنها تتآثر مع الحقول الإلكتروستاتية(3) التي تولدها، فتقوم بدفعها أوجذبها مبتعدة أومقتربة بطريقة معقدة. وتكون النتيجة النهائية حتى الإلكترونات المتحركة تسلك كما لوأنها تمتلك كتلة مغايرة لكتلة الإلكترونات العادية ـ ولذلك تسمى الكتلة الفعالة effective mass. ويسمي الفيزيائيون حاملات الشحنة تلك أشباه الجسيمات quasiparticles.

تتحرك تلك الجسيمات المشحونة الشبيهة بالإلكترونات بسرعة أبطأ بكثير من سرعة الضوء عبر المعدن الموصل. ولذلك ليس ثمة حاجة إلى تطبيق تسليمات نظرية آينشتاين النسبية على حركتها؛ إذ لا تصبح هذه النظرية ذات أهمية إلا عند سرعات تقترب من سرعة الضوء. ولذلك فإن تآثرات أشباه الجسيمات في الموصلات يمكن وصفها إما بالفيزياء التقليدية(4) (النيوتينية) المألوفة أوبالميكانيك الكمومي «العادي» (أي غير النسبي).

وعندما تسري الإلكترونات عبر شباك سياج قفص الدجاج لذرات الكربون في الگرافين، فإنها تتصرف هي أيضا كما لوأنها نوع من أشباه الجسيمات. ولكن، بصورة مدهشة، لا يتصرف شبه الجسيم الناقل للشحنة في الگرافين كإلكترون على الإطلاق، بل يقترب في تصرفه من جسيمِ عنصر آخر معدوم الكتلة تقريبا هوالنترينو. وبالطبع، فإن النترينو، كما يشير اسمه، معتدل كهربائيا (نترينوفي الإيطالية تعني «الصغير المعتدل»)؛ في حين حتى شبه الجسيم في الگرافين يحمل شحنة تساوي شحنة الإلكترون. وبالنظر إلى حتى النترينوينتقل بسرعة تقارب سرعة الضوء، فلا بد عندئذ من التعامل معه وفق النظرية النسبية، مهما كانت طاقته أواندفاعه momentum. وعلى نحومشابه، ينتقل شبه الجسيم في الگرافين دائما بسرعة عالية ثابتة تقدر بأقل 300 مرة من سرعة الضوء. وعلى الرغم من الانخفاض المذكور في السرعة، فإن سلوكه يتوازى مع السلوك النسبي للنترينو.

لم يحدث حتى فُسِّر الإلكتروديناميك الكمومي (الميكانيك الكمومي النسبي) من دون صراع شديد مع الحدس.

إن الطبيعة النسبية لأشباه الجسيمات في الگرافين تجعل الميكانيك الكمومي العادي (غير النسبي) عديم الفائدة عند دراسة سلوكها. ويجب على الفيزيائيين البحث عن هيكلية أكثر تعقيدا في ترسانة نظرياتهم، مثل الميكانيك الكمومي النسبي الذي يعهد اليوم باسم الإلكتروديناميك الكمومي (quantum electrodynamics (QED . إذا لهذه النظرية لغتها الخاصة، وتدعم هذه اللغة المعادلة الاحتمالية المسماة تيمنا بالفيزيائي الإنكليزي <پول ديراك>(5)، الذي وضع معادلته أول مرة في عشرينات القرن الماضي. ولذلك، فإن النظريين في بعض الأحيان يطلقون على الإلكترونات التي تنتقل في الگرافين اسم أشباه جسيمات ديراك العديمة الكتلة.

جسيمات من «لاشيء»

ولسوء الحظ، لا يتأتّى إدراك الإلكتروديناميك الكمومي من دون قدر مهم من العراك مع الحدس العادي. عملى المرء حتى يأنس، وإن لم يسترح تماما، الظواهر التي تبدوللعيان متناقضة. وغالبا ما تنشأ التناقضات الظاهرية للإلكتروديناميك الكمومي من حقيقة كون الجسيمات النسبية تترافق دائما مع نظيراتها مضادات الجسيمات antiparticles ذات العالم العجيب Bizarro-world والذات المتغيرة alter egos. فمثلا، يقترن الإلكترون مع مضاد جسيم يسمى الپوزترون الذي يمتلك كتلة تساوي تماما كتلة الإلكترون ولكن يحمل شحنة موجبة. ويمكن حتى يظهر الزوجان «جسيم-مضاد جسيم» في شروط نسبية، لأنه لا يلزم سوى القليل من الطاقة لكي يستطيع جسم ذوطاقة مرتفعة وسرعة انتنطق كبيرة جدا حتى يكوّن زوجا من «جسيمات افتراضية» virtual particles. والغريب في الأمر حتى هذا الزوج ينبثق مباشرة من العدم ومن الخلاء.

إن سبب حدوث ذلك يمثل نتيجة لأحد وجوه مبدأ هايزنبرگ في الارتياب(6) Heisenberg uncertainty principle في الميكانيك الكمومي: ينص المبدأ، بصورة مبسطة، على أنه حدثا حاولنا توصيف زمن وقوع وقع ما بدقة أكبر، قلّت دقة كمية الطاقة المرتبطة بهذا الحدث. ونتيجة لذلك، فان الطاقة ـ وفق مقياس زمني لامتناه في الصغر ـ يمكن حتى تأخذ تقريبا أي قيمة. وبالنظر إلى حتى الطاقة متكافئة مع الكتلة كما تبين معادلة آينشتاين الشهيرة E=mc2 فإن الطاقة المكافئة لكتلة جسيم ومضاده يمكن حتى تظهر من لاشيء. فمثلا، يمكن لإلكترون افتراضي وپوزترون افتراضي حتى يظهرا فجأة إلى الوجود «باستعارة» الطاقة من الخلاء، شرط حتىقد يكون زمن حياة الجسيمين الافتراضيين قصيرا إلى درجة تمكن من سداد نقص الطاقة قبل حتى يُستطاع كشفه.

تقود الدينامية المحيرة التي يمتلكها الخلاء في الإلكتروديناميك الكمومي إلى تأثيرات عجيبة. وتعد مفارقة paradox كلاين أفضل مثال عليها. تصف هذه المفارقة الظروف التي يستطيع فيها جسم object نسبي المرور من خلال أي حاجز للطاقة الكامنة potential energy مهما كان علوه ومهما كان عرضه [انظر المؤطر في الصفحة اللقاءة]. إذا المثال المألوف لحاجز الطاقة الكامنة هوالهضاب العادية التي تحيط بسهل. تكتسب شاحنة تغادر السهل طاقة كامنة عند صعودها الهضبة على حساب الطاقة المتحررة من احتراق الوقود في المحرك. وعند الوصول إلى قمة الهضبة يمكن للشاحنة حتى تهبط على الجانب الآخر من دون تشغيل المحرك مع وضع جهاز نقل الحركة transmission في وضع الحياد. فالطاقة الكامنة التي اكتسبت عند صعود الشاحنة تحولت إلى طاقة حركية عند هبوطها.

مينكل جونير، مراسل أونلاين نيوز

اختبار الناشز

تستطيع الجسيمات أيضا التحرك بسهولة من تلقاء ذاتها «هابطةً» من مناطق ذات طاقة كامنة مرتفعة نسبيا إلى أخرى طاقتها الكامنة منخفضة نسبيا. فإذا كانت منطقة من «الهضاب» ذات طاقة كامنة مرتفعة تحيط بجسيم موجود في «سفح» طاقي، فإن وضع هذا الجسيم لا يختلف عن وضع شاحنة فارغة من الوقود موجودة في سهل حقيقي. ولكن ثمة تحذير كبير يتعلق بقبول هذه النتيجة التي تنتج من الميكانيك الكمومي العادي. فالوجه الآخر لمبدأ هايزنبرگ في الارتياب ينص على استحالة فهم المسقط الدقيق للجسيم. وتبعا لذلك يلجأ الفيزيائيون إلى توصيف المسقط احتماليا. وهناك نتيجة غريبة لذلك تتمثل في الجسيم المنخفض الطاقة. عملى الرغم من أنه قد يحدث «محتجزا» بحاجز مرتفع، فإن من المحتمل وجود هذا الجسيم فيما بعد خارج الحاجز. وعندماقد يكون الأمر كذلك، فإن ظاهرة الممر الشبح الذي سلكه الجسيم ضمن حاجز الطاقة تسمى النفقية الكمومية quantum tunneling.

[تطبيقات]

تقانة مبنية على الگرافين

لم يعهد الگرافين إلا منذ عهد قريب؛ لذلك لم يتمكن المهندسون من تطوير منتجات يدخل في تصنيعها، لكن قائمة التقانات التي يتسقط حتى تقوم على أساس الگرافين طويلة. ونورد فيما يأتي مثالين:

ترانزستورات أحادية الإلكترون

يمكن تحويل صفيحة من الگرافين نانوية المقياس إلى ترانزستور وحيد الإلكترون (أونقطة كمومية). يبين الشكل (في الأعلى واليمين) تخطيطيا كيف من الممكن أن يرتبط إلكترودان («منبع» و«مصرف») بواسطة جزيرة من مادة موصلة، أونقطة كمومية، عرضها لا يتجاوز100 نانومتر. إذا الجزيرة التي تبدوفي مركز الصورة الميكروية لإلكترون في تجهيزة كهذه (في الأسفل واليمين) ـ مكبرة نحو00040 مرة ـ هي أصغر من حتى تتسع لأكثر من إلكترون حديث واحد في جميع آن؛ فلا يستطيع أي إلكترون ثان الاقتراب بسبب التدافع الإلكتروستاتي (الكهراكدي)electrostatic repulsion. يقوم إلكترون من المنبع بالعبور نفقيا وفق الميكانيك الكمومي إلى الجزيرة، ثم يغادر نفقيا أيضا إلى المصرف. وتتحكم الکلطية المطبقة على إلكترود ثالث يدعى البوابة (غير ظاهر في الصورة الميكروية للإلكترون) في إمكان دخول إلكترون وحيد إلى الجزيرة أوالخروج منها، مسجلا بذلك إما 1أو0.

مواد مُركَّبة

يمكن غالبا جمع مادتين متتامتين أوأكثر للحصول على الصفات المرغوبة لكليهما. وتستعمل نموذجيا ركازة جرمية bulkmatrix ومادة تقويةreinforcement: مثلا، بدن قارب من الفايبرگلاس مصنوع من البلاستيك المصبوب فوق ألياف زجاجية قوية. يقوم الباحثون بفحص الخواص الفيزيائية للمُرَكَّبات المصنوعة من الپوليمرات المدعّمة بمواد معتمدة على الگرافين، مثل أكسيد الگرافين، وهونموذج صلب ومتين من الگرافين المحوّر كيميائيا. وعلى عكس الگرافين، فإن أكسيد الگرافين «صفيحة» (الصورة في اليسار) سهل التصنيع نسبيا، وقد يجد قريبا تطبيقات مهمة في المُرَكَّبات الصفيحيةlaminated composites (الأرضية في اليسار). إذا المقياس هو1 ميكرون طولا.

أما في الميكانيك الكمومي العادي (غير النسبي)، فإن قيمة احتمال مرور جسيم، عبر نفق خلال حاجز ذي طاقة كامنة مرتفعة، تتفاوت ولكنها لن تصل إلى 100 في المئة. ويتقلص احتمال النفقية الكمومية حدثا ارتفعت قيمة طاقة الحاجز أوازداد سمكه. ولكن مفارقة كلاين تغير كليا صفة النفقية الكمومية. وتنص هذه المفارقة على حتى الجسيمات النسبية يجب حتى تتمكن باحتمال قدره 100 في المئة من المرور عبر الأنفاق من خلال مناطق الحاجز ذي الطاقة العالية والامتداد الكبير. فحينما تصل الجسيمات إلى الحاجز تقترن الجسيمات مع توائمها مضادات الجسيمات، التي تحيا في العالَم في زيٍّ فوضوي مقلوب رأسا على عقب ترى فيه هضاب العالم الحقيقي على شكل أودية لمضادة الجسيمات. وبعد سفر مضادات الجسيمات بسهولة عبر الوادي العجيب المضاد لعالم الحواجز، تتحول عائدة إلى جسيمات في الجانب الآخر وتبرز من دون أي عائق طاقي. ويبدوهذا التنبؤ الذي يقدمه الإلكتروديناميك الكمومي، حتى بالنسبة إلى عدد كبير من الفيزيائيين، معاكسا كليا للحدس.

ويدفع هذا التنبؤ الغريب إلى طلب الاختبار تجريبيا، ولكن يظل من غير الواضح هل يمكن اختبار مفارقة كلاين ولوحتى من حيث المبدأ. ويبدوحتى أشباه جسيمات ديراك العديمة الكتلة الموجودة في الگرافين قد هبت للنجدة؛ إذ تصبح مقاربة كلاين في الگرافين مفعولا روتينيا ذا تداعيات يمكن ملاحظتها بسهولة. فعندما تنتقل أشباه جسيمات ديراك العديمة الكتلة والناقلة للشحنة ضمن بلورة گرافين مطبقٍ بين نهايتيها کلطية ما أوفرق طاقة، فسيتمكن التجريبيون من قياس الموصلية الكهربائية للمادة. وتكون النفقية الكاملة (احتمالية 100 في المئة) هي المسؤولة عن فقدان أي مقاومة إضافية يتسقطها المرء من جانب الحواجز والحدود الزائدة. ويقيس الباحثون الآن تدفق مثل هذه الجسيمات النفقية من خلال حواجز كمونية ذات قيم متفاوتة في الارتفاع. ويتسقط الفيزيائيون حتى يساعد الگرافين أيضا على توضيح عدد كبير من المفاعيل(7) العجيبة الأخرى التي يتنبأ بها الإلكتروديناميك الكمومي.

على المدى الطويل، يمكن للمرء حتى يصمم دارات متكاملة تامة منحوتة من صفيحة گرافين مفردة.

ثنائي بُعْدٍ أولا

من المبكر الآن حتى تُخمِّن العدد الكبير من التطبيقات التقانية للگرافين. ولكن عقدا ونصف العقد من الأبحاث التي أجريت على الأنابيب النانوية (الگرافين المطوّى) أعطت الگرافين دفعا هائلا في انطلاقته. وليس من غير المعقول الاعتقاد حتى أي دور مفيد يمكن تصوّره للأنابيب النانوية سيكون مفتوحا لقريبها الگرافين المسطح. وتخطط اليوم الصناعات العالية التقانة لإنجاز بعض التطبيقات التجارية التي يُراهن على نجاح بعضها. وستؤدي تلبية الطلب على هذه التطبيقات إلى حمل إنتاج الگرافين إلى المستوى الصناعي. ويوجد حاليا عدد كبير من فرق البحث التي تعمل بجد على تطوير تقنيات إنتاج محسنة. وعلى الرغم من حتى مسحوق الگرافين ينتج اليوم بكميات صناعية، فإن صفائح الگرافين ما زالت صعبة الإنتاج، وتصنف في الوقت الحاضر على أنها أثمن مادة على وجه الأرض. فصفيحة من الگرافين منتجة ميكروميكانيكيا وبسمك يقل عن سمك شعرة إنسان تكلف اليوم أكثر من 1000 دولار أمريكي. وقد قامت مجموعات في أوروبا وعدد من المؤسسات الأمريكية ـ منها مؤسسة جورجيا التقانية وجامعة كاليفورنيا وبيركلي وجامعة الشمال الغربي ـ بتنمية أغشية من الگرافين على شرائح من كربيد السيليكون مماثلة لتلك الشائعة في صناعة أشباه الموصلات.

وفي الوقت ذاته، يجهد المهندسون في جميع أراتى العالم لاستغلال الخواص الفيزيائية والإلكترونية المرغوبة بشدة والتي يتصف بها الگرافين حصرا [انظر المؤطر في هاتين الصفحتين ]. فمثلا، يمكن حتى تؤهله صفة ازدياد نسبة السطح إلى الحجم إلى تأدية دور في صناعة مواد مركبة composite متينة. كما حتى الرقة اللامتناهية للگرافين تؤدي إلى الحصول على مصدرات emitters حقلية ذات كفاءة عالية (على شكل تجهيزات devices إبرية تحرر الإلكترونات بوجود حقول كهربائية قوية).

ويمكن توليف خواص الگرافين بدقة بتطبيق حقول كهربائية، بحيث يمكن الحصول على ترانزستورات فائقة الموصلية متطورة وما يسمى الترانزستورات ذات الصمام السپيني spin-valve، إضافة إلى كواشف detectors كيميائية فائقة الحساسية. وأخيرا، فإن صناعة أغشية رقيقة بتنضيد طبقات من الگرافين فوق بعضها تبدوواعدة جدا في استعمالها أغلفة موصلة وشفافة في الخلايا الشمسية وفي العارضات displays المعتمدة على مبدأ البلورات السائلة. وما أوردناه ليس إلا قليلا من كثير، ونتسقط حتى تدخل بعض التطبيقات الملائمة الأسواق في غضون سنوات قادمة.

إراتى الحكم بانتهاء قانون مور

ثمة توجه هندسي يستحق ذكرا خاصا، وهوالإلكترونيات المعتمدة على الگرافين. وقد بينّا بوضوح حتى حاملات الشحنة في الگرافين تتحرك بسرعة عالية ولا تخسر سوى كمية ضئيلة من الطاقة نسبيا عند التشتت أوالتصادم مع الذرات الموجودة في شبيكتها البلورية. ويجب حتى تتيح هذه الخاصة خلق ما يسمى الترانزستورات الباليستية ballistic transistors والتجهيزات الفائقة التواتر(8) التي تستجيب أسرع بكثير من الموجودة حاليا.

ولعل الأمر الأكثر تشويقا هوحتى يتمكن الگرافين من دعم الصناعة الإلكتروديناميكية في إطالة عمر قانون مور. وكان <G.مور> [وهورائد في الصناعة الإلكترونية] قد أشار قبل نحو40 سنة إلى حتى عدد الترانزستورات التي يمكن ضغطها في مساحة محددة تتضاعف حدثا انقضى نحو18 شهرا تقريبا. وقد أُعلن قبل الأوان مرارا الوصول إلى النهاية المحتومة لعملية التصغير المتواصلة هذه. ونجد الآن حتى الاستقرار الرائع والتوصيل المثالي للگرافين، حتى في مقياس النانومتر، قد يُمكِّنان من تصنيع ترانزستورات مفردة عرضها أقل منعشرة نانومترات، وربما تبلغ من الصغر مرتبة حلقة بنزينية واحدة. ويمكن على الأمد الطويل خلق دارات متكاملة كاملة منحوتة من صفيحة گرافين مفردة.

ومهما يكن ما سيأتي به المستقبل، فإن عالم العجائب الذي يبلغ سمكه جزيئا واحدا سيبقى على وجه التأكيد يأسر الاهتمام عدة عقود من الزمن. وسيتابع المهندسون العمل لإيصال نواتج اختراعاتهم إلى الأسواق. وسيتابع الفيزيائيون اختبار الخواص الكمومية العجيبة. ولكن ما يذهل حقا حتى جميع هذا الغنى وكل هذا التنوع بقي عددا من القرون متواريا تقريبا في جميع ما خطه قلم الرصاص.

ثمة عرض بالصور يوضح كيف من الممكن أن يحضر الگرافين بطريقة الشريط اللاصق، وهي التقنية التي لخصها مينكل جونير في المؤطر أعلاه، وهذا العرض موجود على:

www.SciAm.com/ontheweb

المؤلفان

Phillip Kim - Andre K. Geim

هما فيزيائيان متخصصان في المادة المتكثِّفة condensed matter، هجرزت أبحاثهما الأخيرة على مجال الخواص النانوية للمواد المتبلورة الثنائية البعد والتي يبلغ سمكها ذرة واحدة.

جايم (في اليسار) هوزميل في الجمعية الملكية وأستاذ الفيزياء في جامعة مانشستر بإنكلترا، ويدير أيضا مركز مانشستر لفهم الميزوMesoscience والتقانة النانوية، حصل على الدكتوراه من مؤسسة فيزياء الجسم الصلب في Chernogolovka بروسيا.

وأما كيم (في اليمين) فهوزميل في الجمعية الفيزيائية الأمريكية، حصل على الدكتوراه من جامعة هارکرد وهوأستاذ مشارك في الفيزياء بجامعة كولومبيا، تهجرز أبحاثه على عمليات الانتنطق الكمومية الحرارية والكهربائية في المواد النانوية المقياس.

مراجع للإستزادة

Electrons in Atomically Thin Carbon Sheets Behave Like Massless particles, Mark Wilson in physics Today,

Vol. 59, pages 21-23; January 2006.

Drawing Conclusions from Fraphene. Antonio Castro Neto, Francisco Guinea and Nuno Miguel Peres

in physics World, Vol. 19, pages 33-37; November 2006.

Graphene: Exploring Carbon Flatland. A. K. Geirn and A. H. MacDonald in Physics Today, Vol. 60, pages 35-41;

August 2007.

The Rise of Graphene. A. K. Geim an dK.S. Novoselov in Nature Materinals, Vol. 6, pages 183-191; 2007.

Andre K. Geim's Mesoscopic physics Group at the University of Manchester: www.graphene.org

Philio Kim's research group at Columbia University: pico.phys.columbia.edu

CARBON WONDERLAND Meet the Grephene Family THE MOTHER OF ALL GRAPHITES

Molecular Chickin Wire MARK OF THE NANOPENCIL

Exceptional Exception Big Bang in Carbon Flatland

Quantum Electrodynamics Enters the Lab

Particles from"Nothing"

D.I.Y. Graphene

Testing The Bizarre

GRAPHENE-BASED TECHNOLOGY

2-D or Not 2-D Reprieve for Moore's Law?

(1) wafers (2) bits أونتف. (3) أوالكهرسكونية أوالكهراكدية. (4) classical (5) انظر: «پول ديراك وجمال الفيزياء»،مجلة العلوم،العددان8/9 (1995) ، صفحة 18. (6) انظر: «هايزنبرگ والارتياب والثورة الكمومية»،مجلة العلوم، العددسبعة (1992) ، صفحة 45. (7) effects (8) high-frequency

• http://oloommagazine.com/Search/Search_Details.aspx?ID=2379&kw=graphene