[the_ad_placement id="scine_before_content"]

كيف سيصبح حاسوبك بعد إكتشاف خاصية جديدة لمادة الجرافين؟

أكد معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) إن فريقًا من الباحيثين، اكتشفوا خاصية إلكترونية مهمة جدًا هي مادة الجرافين التي اكتُشفت حديثًا، أي منذ 17 عامًا، ولا تزال هذه المادة تُفاجئ العلماء بطبيعتها الفيزيائية المثيرة للاهتمام. يمكن أن تؤدي العمل من خلال هياكل تتكون من طبقات ذرية رقيقة ومن المواد المتوافقة ونماذج جديدة أسرع لمعالجة المعلومات. إن أحد التطبيقات المحتملة هو البرمجة العصبية والتي تهدف إلى تكرار عملية الخلايا العصبية في الجسم وهي المسؤولة عن كل شيء من السلوك إلى الذاكرة.

تقدم مادة الجرافين فيزياء جديدة محفزة للباحثين من أجل دراستها بعمق.

تستمر الهياكل غير المتجانسة والقائمة على الجرافين في إنتاج مفاجآت مذهلة. إن ملاحظتنا للكهرباء الحديدية غير التقليدية في هذا النظام البسيط والرفيع للغاية تتحدى العديد من الافتراضات السائدة حول الأنظمة الفيروكهربائية وقد تمهد الطريق لجيلٍ كامل من المواد الحديدية الكهربائية الجديدة. كما يقول أستاذ الفيزياء بابلو جاريلو هيريرو Pablo Jarillo Herrero، وإيدا جرين Ida Green، وسيسيل Cecil، وقائد فريق العمل، وكلهم باحثين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من ثلاثة أقسام.

خاصية جديدة

تتكون مادة الجرافين من طبقة واحدة من ذرات الكربون ولها أشكال سداسية تشبه بنية قرص العسل. منذ اكتشاف هذه المادة، برهن العلماء على أن المكونات المختلفة لطبقات الجرافين يمكن لها أن تكشف لنا عن مجموعة متنوعة من الخصائص الجوهرية. حيث يمكن أن تكون طبقات الجرافين إما موصلات فائقة توصل الكهرباء دون مقاومة، أو عازلة تقاوم تدفق التيار الكهربائي.

في الورقة البحثية التي نُشرت في كانون الأول/ديسمبر الماضي في موقع Nature، أشار فريق من الباحيثين والمساعدين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الجرافين ثنائي الطبقة يمكن له أن ينتج الكهرباء، بمعنى أن الشحنات الموجبة والسالبة في المادة يمكن لها أن تنفصل تلقائيًا إلى طبقات مختلفة.

في أغلبية المواد، تنجذب الشحنات المعاكسة إلى بعضها البعض، حيث يريدون الالتقاء. ففي حالة تطبيق مجال كهربائي سيجبرهم على الجوانب أو الأقطاب المتقابلة. في المواد الحديدية الكهربائية، لا يلزم وجود مجال كهربائي خارجي لفصل الشحنات، مما يؤدي إلى تجاذب تلقائي. ومع ذلك، فإن تطبيق مجال كهربائي خارجي له تأثير معين فالمجال الكهربائي في الإتجاه المعاكس سيؤدي إلى تبديل الشحنات بين الجانبين وعكس الاستقطاب.

لهذه الأسباب، تُستخدم المواد الفيروكهربائية في مجموعة متنوعة من الأنظمة الإلكترونية من الموجات الطبية فوق الصوتية إلى بطاقات تحديد التردد اللاسلكي (RFID).

ومع ذلك، فإن المواد الفيروكهربائية التقليدية تعتبر عازلة. يعمل الفريق الذي يقوده فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT على أساس الجرافين من خلال آلية فيزيائية مختلفة تمامًا تسمح له بتوصيل الكهرباء. وهذا يفتح عدد كبير من التطبيقات الإضافية.

«ما وجدناه هنا هو نوع جديد من المواد الفيروكهربائية». هذا ما قاله جيرين إسحاق زينج Zhiren Issac Zheng، وهو طالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الفيزياء والمؤلف الأول لمجلة Nature.

وأيضًا Qiong Ma مؤلف مشارك في البحث وأستاذ مساعد في كلية بوسطن، يضع العمل في منظور «هناك تحديات مرتبطة بالكهرباء الفيروكهربائية التقليدية كان الناس يعملون على التغلب عليها. مثلًا، تصبح المرحلة الحديدية الكهربائية غير مستقرة مع استمرار تصغير الجهاز. وباستخدام هذه المواد، قد يتم حل بعض هذه التحديات تلقائيًا». أجرى الباحثُ العملَ الحالي كمساعد ما بعد الدكتوراه من خلال مختبر أبحاث المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MRL).

أنماط مهمة

يتكون الهيكل من طبقتين من الجرافين (طبقة ثنائية) محصورة بين طبقات ذرية رقيقة من نيتريد البورون BN كل طبقة من الطبقتين لها زاوية مختلفة بعض الشيء. بالنظر من الأعلى، تكون النتيجة نمطًا فريدًا يسمى تموج في النسيج الفائق. حسب قول زينج Zheng، إن نمط التموج في النسيج: «يمكن أن يغير خصائص المادة بشكلٍ كبير».

أظهر فريق بحث جاريلو هيريرو مثالًا علميًا على ذلك في عام 2018، في هذا العمل، الذي نُشر أيضًا في دورية Nature، قام الباحثون بتكديس طبقتين من الجرافين. ومع ذلك، لم تكن تلك الطبقات فوق بعضها البعض تمامًا؛ بدلاً من ذلك، دُوَّرت أحداهما قليلاً بزاوية سحرية مقدارها 1.1 درجة. خلقت البنية الناتجة نمط تموج في النسيج سمح بدوره للجرافين أن يكون إما موصلًا فائقًا أو عازلاً اعتمادًا على عدد الإلكترونات في النظام كما يوفرها المجال الكهربائي. بشكلٍ أساسي، كان الفريق قادرًا على «ضبط الجرافين ليتصرف على طرفي نقيض كهربائيين»، وفقًا لقصة إخبارية من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في ذلك الوقت.

يقول الباحث ما Ma: «من خلال إنشاء بنية تموج في النسيج، لم يعد الجرافين جرافينًا بعد الآن. بل يتحول بشكلٍ سحري تقريبًا إلى شيء مختلف جدًا جدًا».

في العمل الحالي، ابتكر الباحثون نمط تموج في النسيج باستخدام صفائح من الجرافين ونتريد البورون مما خلق شكلًا جديدًا من الكهرباء الفيروكهربائية. تختلف الفيزياء المشاركة في حركة الإلكترونات عبر الهيكل عن الفيزياء الكهربية التقليدية.

يقول فيليب كيم، أستاذ الفيزياء والفيزياء التطبيقية في جامعة هارفارد، وهو مشارك في هذا البحث: «إن الطاقة الكهربية الحديدية التي أظهرتها مجموعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا رائعة».

«هذا العمل هو العرض الأول الذي يقدم تقارير عن الكهرباء الفيروكهربائية النقية، والتي تعرض استقطاب الشحنة بدون حركة أيونية في الشبكة الأساسية. وهذا الاكتشاف المفاجئ سيدعو بالتأكيد إلى مزيد من الدراسات التي يمكن أن تكشف عن ظواهر ناشئة أكثر إثارة وتوفر فرصة لاستخدامها في الذاكرة فائقة السرعة التطبيقية».

يهدف الباحثون إلى مواصلة العمل ليس فقط من خلال إظهار إمكانات المواد الجديدة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، ولكن أيضًا تطوير فهم أفضل لطبيعتها الفيزيائية. يقول ما Ma: «لا يزال هناك العديد من الألغاز التي لا نفهمها تمامًا والتي هي في الأساس مثيرة للاهتمام للغاية».

المصادر: 1