طوّر باحثون من جامعة جنوب الأورال الحكومية مادةً جديدة ذات بنية هرمية تُحسّن بشكلٍ ملحوظ الاستقرار الحراري للبلاستيك، وتُظهر حساسيةً عاليةً كمستشعر كهروكيميائي. لا يقتصر هذا الاكتشاف على قيمته الصناعية العملية فحسب، بل يُشير أيضًا إلى إمكانية وجود قوانين طبيعية جديدة لم تُكتشف من قبل.
نُشرت النتائج في مجلة «بوليمرز»، المصنفة ضمن الربع الأول في قواعد بيانات Web of Science وScopus.
ووفقًا للعلماء، تفترض النظرية الكلاسيكية للتبلور، التي طالما اعتُبرت من المسلّمات، أن جميع المواد تميل إلى التحوّل إلى شكل بلوري مستقر. إلا أنه مع ظهور أنابيب الكربون النانوية في أواخر القرن العشرين، بدأت هذه النظرية بالتداعي. في البداية، اعتُبرت هذه الأنابيب حالةً شاذةً واستثناءً، لا تتميّز إلا بالكربون. ولكن في العقود الأخيرة، تمكّن العلماء من ابتكار فئة كاملة من البنى التي "حظرتها" النظرية الكلاسيكية، مثل الصفائح النانوية، والأسلاك النانوية، والنقاط النانوية، وغيرها من الأشكال ذات الخصائص الفريدة، والتي لا تعتمد فقط على الكربون، بل أيضًا على أكاسيد وحتى أملاح المعادن الانتقالية.
«يوضح فياتشيسلاف أفدين، مدير مركز أبحاث «تقنيات النانو» في جامعة جنوب الأورال الحكومية: يمكن تشبيه الوضع بظهور هندسة لوباتشيفسكي أو نظرية النسبية. لم تُلغِ هذه التقنيات إقليدس ونيوتن، لكنها وسّعت آفاقنا بشكل جذري. ويحدث الشيء نفسه الآن في علم المواد. فبحسب القواعد القديمة، لا يُفترض وجود المواد النانوية، لكنها موجودة بالفعل».
وتُعدّ المادة الجديدة التي تم الحصول عليها في جامعة جنوب الأورال الحكومية مثالًا بارزًا على هذا النوع من البنية «المستحيلة». إذ يختلف تركيبها عن ذلك المُتشكّل خلال التبلور التقليدي، مما يمنحها استقرارًا حراريًا وحساسية كهروكيميائية مُعزّزة. ويؤكد العلماء أنه لو سارت العملية وفقًا للسيناريو الكلاسيكي، لكانت البلورة الناتجة مستقرة ولكنها عديمة الفائدة عمليًا.
«ما هي الأنابيب النانوكربونية؟ تخيل الجرافيت العادي. يتكون من طبقات سداسية الشكل مصنوعة من الكربون. طبقة تلو الأخرى، وهكذا. تُسمى كل طبقة، إذا فُصلت، بالجرافين. إنها مادة رقيقة للغاية، لا يتجاوز سمكها جزيئًا واحدًا. ومع ذلك، يمكن أن تصل مساحة الصفيحة الواحدة إلى أحجام كبيرة - عشرات النانومترات المربعة أو حتى أكثر، كما يوضح فياتشيسلاف أفدين. تخيل الآن صفيحة الجرافين نفسها ملفوفة على شكل أسطواني، لتُغلق على شكل أنبوب دائري - ستحصل على أنبوب نانوي كربوني. اكتُشفت هذه البنى لأول مرة مؤخرًا نسبيًا: في البداية، حصل الباحثون على أنابيب متعددة الطبقات متداخلة داخل بعضها البعض مثل الدمى الروسية. تحت المجهر الإلكتروني، يظهر الشكل المثالي لهذه الأسطوانات بوضوح، مما يميزها بوضوح عن الألياف والأشكال الطويلة الأخرى».
ومن المثير للاهتمام أن تكوين هذه الأنابيب حدث بشكل طبيعي: عندما تعرضت المادة لتأثيرات مختلفة، في ظل مجموعة معينة من الظروف، بدأت أسطوانات الكربون الطويلة والرفيعة في النمو تلقائيًا. لاحقًا، مكّنت طرق مماثلة من تصنيع بنى نانوية مشابهة من عناصر أخرى. فقد حصل الكيميائيون في جامعة جنوب الأورال الحكومية على أنابيب نانوية، وصفائح نانوية، ونقاط نانوية بأشكال ومستويات استقرار وقوة متنوعة من مجموعة واسعة من المواد: أكاسيد، وأملاح قليلة الذوبان، وفوسفات، وغيرها.
عند أحجام تقل عن مئة نانومتر، يختلف سلوك الجسيمات اختلافًا كبيرًا عن سلوك الجزيئات أو الذرات المفردة: إذ تفقد قدرتها على الوجود بشكل مستقل، وتُجبر على التفاعل، مُشكّلةً تجمعات أو مُمتصّة على أسطح أجسام أكبر. هذا النشاط العالي للطبقات السطحية هو ما يمنح هذه المواد خصائص فريدة تمامًا.
تُستخدم اليوم العديد من المواد النانوية التي طُوّرت في جامعة جنوب الأورال الحكومية في مجالات رائدة، كمحفزات عالية الكفاءة، ومواد ماصة، ومستشعرات كهروكيميائية. مع ذلك، غالبًا ما يتم الحصول عليها بشكل عشوائي، من خلال التجربة والخطأ، دون فهم عميق للمبادئ الأساسية.
«يؤكد فياتشيسلاف أفدين: نحن على وشك ابتكار نظرية جديدة لتكوين المواد ستُحدث ثورة في التكنولوجيا. يُذكّرنا وضعنا الحالي بعصر الخيميائيين، الذين حققوا إنجازات عظيمة دون فهم قوانين الكيمياء. بمجرد أن نفهم القواعد الجديدة للبنية على المستوى النانوي، سيمهد ذلك الطريق لابتكار مواد ذات خصائص محددة مسبقًا وغير متوقعة».
من أحدث التطورات التي شهدها قسم الهندسة البيئية والكيميائية ومركز أبحاث وتكنولوجيا النانو (في الصورة) مادة فوسفات التيتانيوم، ذات البنية الهرمية التي تتراوح أحجامها من الجسيمات النانوية إلى الكرات الميكرومترية (إعداد: طالب الدراسات العليا أنطون أبراميان، إشراف: دكتور في العلوم الكيميائية أوليغ بولشاكوف).
يمكن استخدام هذه المادة لتعديل مادة البولي فينيل كلوريد (PVC)، أحد أكثر أنواع البلاستيك شيوعًا في العالم. وسيُتيح استخدامها إنتاج عوازل كهربائية أكثر مقاومة للحرارة وأكثر موثوقية للأسلاك، فضلًا عن تحسين خصائص العديد من الأجهزة المنزلية والتقنية الأخرى.