علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Discovery of a new form of carbon called Long-range Ordered Porous Carbon (LOPC)
(معهد اساسيات العلوم – IBS)
فريق من الباحثين من مركز المواد الكربونية متعددة الأبعاد ضمن معهد العلوم الأساسية (IBS) في كوريا الجنوبية بقيادة مدير المعهد رودني روف (Rodney Ruoff) وزملاؤه في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين بقيادة البروفسور يانو زو (Yanwu Zhu). أفاد مؤخرًا باكتشاف شكل جديد من أشكال المواد الكربونية.
من أشكال المواد الكربونية المشهورة الغرافيت(1) والألماس(2)، ولكن هناك أيضًا متآصلات(3) نانوية أخرى أكثر غرابة من المواد الكربونية هذه. هذه المتأصلات تشمل الغرافين(4)والفوليرين(5)، وتهجين كربونات هذه المتأصلات هو من نوع الـ [sp2(6)] مسطحة الشكل بالتمام أو محدبة (كروية الشكل).
وفي الوقت نفسه، شكل من أشكال الكربون تهجينه من نوع الـ sp2 مقعر الشكل، يسمى “شوارزايت schwarzite”، طُرح طرحًا نظريًا، [المترجم: شوارزايت نسبة الى عالم الرياضيات شوارز Schwartz]. اكتشافه يعد حلمًا يتطلع الي التوصل اليه بعض الباحثين في حقل المواد الكربونية. لقد علم الباحثون أنه يمكن تشكيل الكربون في بعض المسام الدورية لبعض مواد الزيوليت (zeolite) المعينة عن طريق ترسيب قطرات الكربون ولكن القولبة كانت غير مكتملة وذلك بسبب ضيق بعض المسام. وقد أدى هذا إلى فشل عملية تشكيل مادة شوارزايت من خلال عملية القولبة هذه.
في الآونة الأخيرة، أفاد فريق من الباحثين من مركز المواد الكربونية متعددة الأبعاد ضمن معهد العلوم الأساسية (IBS) في كوريا الجنوبية بقيادة المدير رودني روف وزملاؤه في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين بقيادة البروفيسور يانو زو. اكتشاف شكل جديد من أشكال المواد الكربونية.
يشار إلى هذه الهيكل الآن باسم “هياكل شوارزيت الكربونية” ، ويمكن أن يطلق عليها أيضًا “الهياكل الكربونية المقعرة”.
هذا الشكل الجديد من الكربون أُنتج باستخدام مسحوق الفوليرين [C60] (والذي يُعرف بـ باكمينستر فوليرين ، ويسمى أيضًا “جزيئات كرة بوكي(7)) ، كمادة أساسية. خلطت مادة الـ C60 مع مادة α-Li3N (“نيتريد الليثيوم ألفا”) ثم سُخن الخليط إلى درجات حرارة معتدلة تحت الضغط الجوي. لقد عُلم أن مادة α-Li3 حفزت تكسير بعض الروابط بين ذرتي كربون C-C في مادة الـ C60 ، وبعدها تشكلت روابط C-C جديدة مع جزيئات ال C60 المجاورة وذلك عبر تحويل إلكترون من روابط C-C المتكسرة إلى جزيئات الـ C60. المجاورة
هيكلية هذه المادة الكربونية الجديدة وُثقت باستخدام مجموعة متنوعة من الطرق التحليلية، و (في الواقع) لم تكن عملية تحليلية سهلة، استُخدمت أجهزة حيود الأشعة السينية ومطياف رامان ومطياف الرنين المغناطيسي النووي والمجهر الإلكتروني لمعرفة وفهم هيكلية هذا الشكل الجديد للمادة الكربونية. المحاكاة المحوسبة المستندة إلى نوع الشبكة العصبية للنمذجة، جنبًًا إلى جنب طرق التجارب المذكورة أعلاه، أثبتت أن المادة الكربونية المسامية المنتظمة طويلة التسلسل (LOPC) هي عبارة عن بنية شبه مستقرة أُنتجت أثناء التحول من مادة كربونية من “نوع الفوليرين” إلى مادة كربونية “من نوع الغرافين”.
على الرغم من أن هذا النوع الجديد الجميل من المادة الكربونية له العديد من الخصائص الرائعة، إلَّا أنه ليس من نوع مادة شوارزيت الكربونية ، لذلك لا يزال التحدي التجريبي قائمًا! في الواقع، هذه المادة الكربونية الجديدة تعتبر مادة مختلفة وفريدة من نوعها – فهي تفتح الباب علي مصراعيه لإمكانيات جديدة تمامًا في اتجاهات جديدة لهذه المواد الكربونية.
يمهد تحضير الـ (LOPC) الطريق لاكتشاف كربونات بلورية أخرى بدءًا من أنواع كرة البوكي وصيغتها الأساسية C60 – وربما من الفوليرينات الأخرى مثل C70 و C76 و C84 وما إلى ذلك. الخيارات الأخرى المثيرة للاهتمام تنطوي على تضمين عنصر فلزى آخر، مثل اللانثانم، الى هذه المواد.
الفريق البحثي يرى لهذه المادة الجديدة تطبيقات صناعية ممكنة في انتاج وتحويل وتخزين الطاقة؛ وفي استخدامها كمحفز لانتاج مواد كيميائية أخرى / جديدة ؛ ولفصل الأيونات الجزيئية أو الغازات عن بعضها. من الجوانب المهمة التي تم التأكيد عليها أيضًا في الورقة التي نشرت في مجلة نتشر (Nature) قابلية التوسع في تركيبات مواد جديدة. يلاحظ زو (Zhu) أن هذه المادة قابلة للانتاج على نطاق أوسع بسهولة إلى كيلوغرامات، ومع عمليات الإنتاج المتتابعة ، قد يكون من الممكن تحقيق الإنتاج على مستوى أطنان.
مصادر من خارج النص:
1- https://ar.wikipedia.org/wiki/غرافيت
2- https://ar.wikipedia.org/wiki/ألماس
3- “التآصل (allotropes) هو ظاهرة كيميائية في بعض المواد تؤدي إلى وجودها بصور متعددة نتيجة لاختلاف تركبيها البلوري مع تماثل تركيبها الكيميائي. ومثال على ذلك الألماس والغرافيت وهما مادتان متكونتان من الكربون فقط،. ولكن تركيبهما البلوري مختلفان تماما، وهذا ما يحعل خواصهما مختلفة. فبينما الألماس شديد الصلابة جدا، نجد الغرافيت غير صلب. استحدث الكيميائي السويدي جونز برزليوس مفهوم التآصل (allotropy) عام 1841” ، مقتبس ببعض التصرف من نص ورد على هذا العنوان: https://ar.wikipedia.org/wiki/تآصل
4- “الغرافين مادة متأصلة من الكربون، ثنائية الأبعاد بنيتها البلورية سداسية (وتسمى أيضا قرص العسل أو سلك الدجاج). وهي أرفع، من حيث السماكة، مادة معروفة على الإطلاق حتى الآن، يعادل سمكها ذرة كربون واحدة فقط،ورغم ذلك تعتبر إحدى أقوى (أمتن) المواد المعروفة. تعتبر من موصلات للكهرباء وكفاءتها كفاءة النحاس في توصيل التيار الكهربائي، وهي أفضل موصل للحرارة على الإطلاق، وتكاد مادة الغرافين أن تكون شفافة تمامًا، ورغم ذلك فهي أيضًا كثيفة للغاية لدرجة أنها لا تسمح بعبور ذرة الهيليوم من هيكلها السداسي” ، مقتبس من نص ورد على هذا العنوان: https://ar.wikipedia.org/wiki/غرافين
5- “الفوليرين عبارة عن جزيئات تتكون بالكامل من ذرات الكربون وتكون على شكل كرة مجوفة، وتسمى أحيانا كرات بوكي (buckyballs). يعد الفوليرين أحد متأصلات الكربون وذلك بالإضافة إلى الألماس والغرافيت والكربون اللابلوري. مثل الفحم النباتي”. مقتبس من نص ورد على هذا العنوان: https://ar.wikipedia.org/wiki/فوليرين
6-https://www.almrsal.com/post/1079709
7- https://ar.wikipedia.org/wiki/بوكمينستر_فوليرين
المصدر الرئيس:
https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000738/selectBoardArticle.do?nttId=22427&pageIndex=1&searchCnd=&searchWrd=