Blog single photo

السر وراء البلورات التي تتقلص عند تسخينها - Phys.org

توضح هذه الرسوم المتحركة كيف تقلص بلورات فلوريد سكانديوم الصلبة عند التسخين. في حين أن الروابط بين ذرات سكانديوم (الأخضر) وفلور (الأزرق) لا تزال جامدة نسبيا ، ذرات الفلور على طول جانبي بلورات مكعب تتأرجح بشكل مستقل ، مما أدى إلى مجموعة واسعة من المسافات بين ذرات الفلور المجاورة. كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زاد الإبزيم في جوانب البلورات مما أدى إلى تأثير الانكماش الكلي (التمدد الحراري السلبي). الائتمان: مختبر بروكهافن الوطني              لدى العلماء في مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية أدلة تجريبية جديدة ونظرية تنبؤية تحل لغز علم المواد القديم: لماذا تتقلص بعض المواد البلورية عند تسخينها. يمكن أن يكون لعملهم ، الذي نُشر للتو في مجلة Science Advances ، تطبيق واسع النطاق لمطابقة خصائص المواد بتطبيقات معينة في الطب ، والإلكترونيات ، وغيرها من المجالات ، وربما يوفر نظرة جديدة على الموصلات الفائقة غير التقليدية (المواد التي تحمل تيار كهربائي بدون فقدان الطاقة).                                                       يأتي الدليل من قياسات دقيقة للمسافات بين الذرات في بلورات فلوريد سكانديوم (ScF3) ، وهي مادة معروفة بتقلصها غير العادي في درجات حرارة مرتفعة (تُعرف أيضًا باسم "التمدد الحراري السلبي"). ما اكتشفه العلماء هو نوع جديد من الحركة الاهتزازية التي تتسبب في ربط جوانب هذه البلورات ذات الشكل المكعب ، والتي تبدو صلبة ، عند تسخينها ، مما يجعل الزوايا أقرب إلى بعضها البعض. وقال ايغور زاليزنيك ، الفيزيائي في بروكهافن ، الذي قاد المشروع: "عادة مع ارتفاع درجة الحرارة ، تتوسع". "عندما تقوم بتسخين شيء ما ، تزداد الاهتزازات الذرية في الحجم ، ويزيد الحجم الكلي للمواد لاستيعاب الاهتزازات الأكبر". ومع ذلك ، لا تنطبق هذه العلاقة على بعض المواد المرنة ، بما في ذلك البوليمرات الشبيهة بالسلسلة مثل البلاستيك والمطاط. في هذه المواد ، تزيد الحرارة المتزايدة من الاهتزازات بشكل عمودي فقط على طول السلاسل (صورة الاهتزازات الجانبية لسلسلة الغيتار المنقط). تعمل الاهتزازات المستعرضة على تقريب أطراف السلاسل معًا ، مما يؤدي إلى انكماش كلي. ولكن ماذا عن فلوريد سكانديوم؟ مع بنية بلورية صلبة ومكعبة ، لا يبدو مثل البوليمر - على الأقل للوهلة الأولى. بالإضافة إلى ذلك ، هناك افتراض واسع النطاق بأن الذرات في بلورة صلبة يجب أن تحافظ على توجهاتها النسبية ، بغض النظر عن حجم البلورة ، ترك الفيزيائيون في حيرة لشرح كيفية تقلص هذه المادة عند تسخينها. نيوترونات وطالب مكرس للإنقاذ كانت مجموعة من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) تستخدم طريقة واحدة لاستكشاف هذا اللغز في Spallation Neutron Source (SNS) ، وهي منشأة لمستخدمي مكتب وزارة الطاقة في مختبر أوك ريدج الوطني. قياس الكيفية التي تنتشر بها عوارض النيوترونات ، وهي نوع من الجسيمات دون الذرية ، يمكن أن تعطي ذرات في بلورة معلومات قيمة عن ترتيبها على المستوى الذري. وقال زاليزنيك إنه مفيد بشكل خاص للمواد الخفيفة الوزن مثل الفلور التي لا يمكن رؤيتها بالأشعة السينية.                                                                                      عند سماع هذا العمل ، أشار زاليزنيك إلى أن زميله ، إميل بوزين ، وهو خبير في تقنية تحليل التشتت النيوتروني المختلفة ، يمكن أن يعزز فهم المشكلة. تصف طريقة Bozin ، والمعروفة باسم "وظيفة توزيع الزوج" ، احتمال العثور على ذرتين مفصولة مسافة معينة في المادة. ثم تقوم الخوارزميات الحسابية بفرز الاحتمالات لإيجاد النموذج الهيكلي الذي يناسب البيانات. اجتمع كل من Zaliznyak و Bozin مع فريق Caltech لجمع البيانات في SNS باستخدام عينات ScF3 من Caltech لتتبع كيفية تغير المسافات بين الذرات المجاورة مع ارتفاع درجة الحرارة. قام ديفيد وندت ، وهو طالب بدأ تدريبًا في برنامج البحث في مدرسة ثانوية مختبر بروكهافن في مختبر زاليزنيك بعد سنته الثانية في المدرسة الثانوية (الآن طالبة في جامعة ستانفورد) ، بمعالجة الكثير من تحليل البيانات. واصل العمل في المشروع طوال أيام دراسته الثانوية ، وحصل على منصب المؤلف الأول على الورقة. "قام ديفيد بتخفيض البيانات بشكل أساسي إلى النموذج الذي يمكننا تحليله باستخدام خوارزمياتنا ، وتجهيز البيانات ، وتكوين نموذج لنمذجة مواقف ذرات الفلور ، وأجرى التحليل الإحصائي لمقارنة نتائجنا التجريبية بالنموذج. مقدار العمل الذي قام به هو مثل ما سوف تفعله postdoc جيدة! " قال زاليزنيك. "أنا ممتن جدًا للفرصة التي أتاحها لي بروكهافن لاب للمساهمة في الأبحاث الأصلية من خلال برنامج أبحاث المدارس الثانوية" ، قال ويندت.                               من بين المشاركين الآخرين في الدراسة (من اليسار) كيت بيج ، سابقًا في مختبر أوك ريدج الوطني ، وعالم الفيزياء في مختبر بروكهافن إيميل بوزين ، وعالم آلات ORNL يورج نيوفيند. الائتمان: جينيفيف مارتن / مختبر أوك ريدج الوطني              النتائج: حركة "ناعمة" في صلب أظهرت القياسات أن الروابط بين السكانديوم والفلور لا تتغير بالفعل مع التدفئة. قال زاليزنيك: "في الواقع ، تتوسع قليلاً" ، وهو ما يتسق مع سبب توسع معظم المواد الصلبة. لكن المسافات بين ذرات الفلور المجاورة أصبحت شديدة التغير مع ارتفاع درجة الحرارة. "كنا نبحث عن أدلة على أن ذرات الفلور كانت في تكوين ثابت ، كما كان يُفترض دائمًا ، ووجدنا العكس تمامًا!" قال زاليزنيك. قدم أليكسي تكاتشينكو ، وهو خبير في نظرية المواد اللينة المكثفة في مركز بروكهافن لاب للمواد النانوية الوظيفية (مرفق آخر لمستخدمي مكتب العلوم) مساهمات أساسية في تفسير هذه البيانات غير المتوقعة. نظرًا لأن ذرات الفلور لم تكن محصورة في المواضع الصلبة ، فقد يعتمد التفسير على نظرية أقدم بكثير طورها في الأصل ألبرت أينشتاين لشرح الحركات الذرية من خلال النظر في كل ذرة على حدة. ومما يثير الدهشة ، أن التفسير الأخير يوضح أن الانكماش الناجم عن الحرارة في ScF3 يحمل تشابهًا ملحوظًا مع سلوك البوليمرات الناعمة. "بما أن كل ذرة من سكانديوم لها رابطة صلبة مع الفلور ، فإن" سلاسل "فلوريد سكانديوم التي تشكل جوانب مكعبات البلورية (مع سكانديوم في الزوايا) تعمل بشكل مشابه للأجزاء الصلبة من البوليمر" ، أوضح زاليزنيك. ذرات الفلور الموجودة في وسط كل جانب من المكعب ، غير مقيدة بأي روابط أخرى. لذلك ، مع ارتفاع درجة الحرارة ، تكون ذرات الفلور "غير المقيدة" حرة في التأرجح بشكل مستقل في اتجاهات عمودية على روابط Sc-F الجامدة. تقوم تلك التذبذبات الحرارية المستعرضة بسحب ذرات الشوكة في زوايا الشبكة الشبكية المكعبة أقرب إلى بعضها البعض ، مما يؤدي إلى انكماش مماثل لتلك الملاحظة في البوليمرات.                               قاد إيغور زاليزنيك ، وهو عالم فيزياء في قسم علوم المواد والمواد في قسم بروكهيفن لاب (اليمين) ، فريقًا من العلماء من بينهم أليكسي تكاتشينكو من مركز مختبر المواد النانوية الوظيفية (يسارًا) لفك تشفير الآلية الكامنة وراء قدرة فلوريد الفاناديوم على التسخين. الائتمان: مختبر بروكهافن الوطني              مطابقة الحرارية للتطبيقات سيؤدي هذا الفهم الجديد إلى تحسين قدرة العلماء على التنبؤ بالاستجابة الحرارية للمادة أو تصميمها استراتيجياً للتطبيقات التي يتوقع حدوث تغيرات في درجات الحرارة فيها. على سبيل المثال ، يجب أن تُظهر المواد المستخدمة في الآلات الدقيقة تغييراً بسيطاً في الاستجابة للتدفئة والتبريد للحفاظ على نفس الدقة في جميع الظروف. يجب أن يكون للمواد المستخدمة في التطبيقات الطبية ، مثل حشوات الأسنان أو بدائل العظام ، خواص تمدد حراري تتوافق بشكل وثيق مع تلك التركيبات البيولوجية التي تكون مضمنة فيها (فكر كم ستكون مؤلمة إذا امتدت ملئك أثناء انقباض السن عند شرب ساخن قهوة!). وفي أشباه الموصلات أو خطوط نقل الألياف الضوئية المغمورة في البحر ، يجب أن يتطابق التمدد الحراري للمواد العازلة مع المواد الوظيفية لتجنب إعاقة إرسال الإشارة. يلاحظ زاليزنيك أن بنية الإطار المفتوح غير المقيدة مثل تلك الموجودة في ScF3 موجودة أيضًا في الموصلات الفائقة المصنوعة من أكسيد النحاس والحديد ، حيث يُعتقد أن اهتزازات الشبكات البلورية تلعب دورًا في قدرة هذه المواد على حمل تيار كهربائي دون مقاومة. وقال زاليزنيك "التذبذب المستقل للذرات في هذه الهياكل المفتوحة الإطار قد يسهم في خصائص هذه المواد بطرق يمكننا الآن حسابها وفهمها". وأضاف "ربما يفسرون في الواقع بعض ملاحظاتنا التجريبية التي لا تزال لغزا في هذه الموصلات الفائقة". وقال زاليزنيك: "لقد استفاد هذا العمل بشكل كبير من المزايا الهامة للمختبرات الوطنية لوزارة الطاقة ، بما في ذلك منشآت وزارة الطاقة الفريدة وقدرتنا على تنفيذ مشاريع طويلة الأمد حيث تتراكم المساهمات الهامة بمرور الوقت لتتوج باكتشاف". "إنه يمثل التقاء الفريد للخبرات المختلفة بين الكُتَّاب ، بما في ذلك المتدرب المتفاني من طلاب المدارس الثانوية ، والتي تمكنا من دمجها معًا في هذا المشروع. لم يكن من الممكن إجراء هذا البحث بنجاح بدون الخبرة التي توفرها جميع أعضاء الفريق. "                                                                                                                                                                   معلومات اكثر: "مرونة الانتروبيا والتوسع الحراري السلبي في بلورة مكعب بسيطة" Science Advances (2019). advances.sciencemag.org/content/5/11/eaay2748                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   الاقتباس:                                                  السر وراء البلورات التي تتقلص عند تسخينها (2019 ، 1 نوفمبر)                                                  استرجاع 1 نوفمبر 2019                                                  من https://phys.org/news/2019-11-secret-crystals.html                                                                                                                                       هذا المستند عرضة للحقوق التأليف والنشر. بصرف النظر عن أي صفقة عادلة لغرض الدراسة الخاصة أو البحث ، لا                                             جزء يمكن استنساخها دون إذن خطي. يتم توفير المحتوى لأغراض إعلامية فقط.                                                                                                                                اقرأ أكثر



footer
Top