یک ماده جدید عجیب و غریب به طور غیرمنتظره‌ای در دانشگاه مارتین لوتر آلمان تولید شد: یک شبه‌بلور دو بعدی حاوی واحدهای اتمی تکرار ناشونده 12 وجهی در ابعاد نانومتر

مجید جویا: نوار شبه کریستال، اولین نمونه بلور شبه منظم دوبعدی و آخرین عضو خانواده‌ای از برخی از عجیب‌ترین شکل‌های ماده است که هم در طبیعت یافت می‌شوند و هم در آزمایشگاه ساخته می‌شوند. دانشمندان دانشگاه مارتین لوتر این ماده را اتفاقی تولید کرده و تصادفا شرایطی را که پیش از این منجر به تولید اولین شبه‎بلور آزمایشگاهی شده بود، تکرار کردند. کشفی که سرانجام دانیل شخطمن را به جایزه نوبل 2011 شیمی رساند.

شبه‌بلورها حالتی عجیب و نیمه منظم ماده هستند که نه مثل بلورها ساختار منظم تکرارشونده دارند و نه نامنظم هستند. بلوک‌های سازنده شبه‌بلور‌ها همه تا حدی با هم متفاوتند و ترتیب اتمی آنها در ابعاد بزرگ ناسازگار است. در نتیجه، یافتن ساختارهای تکرارشونده در یک شبه‌بلور امکان ناپذیر است.

شبه بلور 2

در سه دهه گذشته، شبه‌بلورها هم دانشمندان را مفتون و هم گیج کرده‌اند. اولین شبه‌بلور  که در سال 1982/1361 به دست دانیل شخطمن ساخته شد، چنان غیرمنتظره بود که موجب تمسخر شخطمن از سوی دیگران شد و سرانجام از او خواسته شد تا آزمایشگاهش را ترک کند. پس از آن تا سال‌ها کسی باور نداشت که شبه‌بلورها در جایی غیر از آزمایشگاه هم پیدا شوند؛ چرا که تولید این ساختارهای عجیب شبه تناوبی بسیار پیچیده بوده و نیاز به دمای دقیق و شرایط عجیب منجمله خلأ و جو غنی از آرگون دارد.

اما در سال 2007/1386، فیزیک‌دانی به نام پاول اشتاینهارت از دانشگاه پرینستون به همراه لوکا بیندی، زیست‌شناس دانشگاه فلورنس، سنگی عجیب از کلکسیون بیندی را شکافتند و شبه‌بلورهایی را در داخل آن یافتند. این سنگ در واقع شهاب‌سنگی بود که از کوه‌های کوریاک در شرق دور روسیه در اواخر دهه 1970/1350 به دست آمده بود. بیندی و اشتاینهارت سرانجام در سال 2012/1391 اثبات کردند که شبه‌بلورهای این سنگ در فضا ساخته شده بودند و نتایج طبیعی فرایند اخترفیزیکی بودند، نه محصول کوره‌های زمینی یا برخورد سنگ با زمین .

دو سال پیش هم، ولف ویدرا و همکارنش در دانشگاه مارتین لوتر به طور تصادفی یک ساختار جدید و دو بعدی از این بلور را ساختند. این گروه با هدف حل این معما که چطور می‌توان خواصی را مهندسی کرد که در طبیعت یافت نشده‌اند، وجه مشترک میان دو ماده را بررسی کردند. آنها در حال بررسی این بودند که وقتی لایه‌ای از یک ماده معدنی خاص به نام پرووسکایت (اکسید تیتانیوم-کلسیم با فرمول شیمیایی CaTiO3) روی پلاتین قرار می‌گیرد، چگونه رفتار می‌کند.

هنگام حرارت دادن پرووسکایت در دمای بالا، ناگهان الگوی عجیبی را دیدند که در محل اتصال سوسو می‌زند: یک الگوی تیز و ساده با تقارن 12 لایه‌ای که قبلا تصور می‌شد وجودش غیر ممکن است. وقتی یک دانشجوی فوق لیسانس به نام اشتفان فارستر سعی کرد الگوی 12 لایه‌ای را به دو گروه با تقارن شش لایه (آرایشی که در ساختارهای بلوری مجاز است) تقسیم کند، ناموفق ماند.

شرح عکس: ابعاد این تصویر که با میکروسکوپ تصویربردار تونلی STM گرفته شده، 10×15 نانومتر است و در آن، آرایش تک‌تک اتم‌های سطح شبه‌بلور دوبعدی جدید را می‌توانید ببینید. ساختار 12 ضلعی شبه‌بلور در مرکز تصویر با رنگ زرد مشخص شده و در گوشه تصویر، مدل این شبه‌بلور را ملاحظه می‎کنید.

به گفته ویدرا «هیچ توضیح ساده‌ای برای این مشاهده وجود ندارد. ما به طور غیرمنتظره‌ای توانستیم لایه نازکی از شبه‌بلورهای دو بعدی را تولید کنیم. خیلی تعجب کردیم. مدتی طول کشید تا متقاعد شویم که واقعا یک شبه‌بلور دوبعدی داریم».

اکسیدهای معدنی همانند پرووسکایت معمولا ساختارهای شبه‌بلوری تشکیل نمی‌دهند، و عموما به شکل کریستال (بلور) وجود دارند. هیچ کسی فکر نمی‌کرد که بتوان یک ساختار نیمه منظم و غیر تکراری از پرووسکایت استخراج کرد. اما به هرجهت پرووسکایت و پلاتین برهمکنش داشته‌اند و یک لایه شبه‌بلوری نازک در ابعاد نانومتر (یک میلیارد بار کوچک‌تر از متر) تشکیل شده است.

حال این سوال مطرح می‌شود که چرا برخی از مواد در تشکیل ساختارهای شبه کریستالی نقش دارند، در حالی که بقیه شکل‌های متعارف‌تری را برمی‌گزینند. هنوز کسی نمی‌داند، ولی قطعا با کشف هر شبه بلور تازه‌ای، یک گام به یافتن پاسخ نزدیک‌تر می‌شویم.

53271

کد خبر 317146

برچسب‌ها

نظر شما

شما در حال پاسخ به نظر «» هستید.
1 + 2 =

نظرات

  • نظرات منتشر شده: 1
  • نظرات در صف انتشار: 0
  • نظرات غیرقابل انتشار: 0
  • بی نام IR ۱۶:۰۸ - ۱۳۹۲/۰۷/۲۵
    5 1
    خدابده شانس رو...