شكل جديد وغريب من الذهب موجود على شكل صفيحة سمكها ذرة واحدة فقط
مصر:إيهاب محمد زايد
على مدى قرون، سعى الصاغة إلى إيجاد طرق لتسوية الذهب إلى أشكال أكثر دقة. أخيرًا، أدى النهج القائم على الكيمياء الحديثة إلى إنشاء مادة ذهبية لا يمكن أن تصبح أقل سمكًا، وتتكون من طبقة واحدة من الذرات.
التزامًا بأعراف التسمية في علم المواد، أطلق الباحثون على هذه المادة الجديدة ثنائية الأبعاد اسم “الغولدين”، وهي تتمتع ببعض الخصائص المثيرة للاهتمام التي لا يمكن رؤيتها في الشكل ثلاثي الأبعاد للذهب.
يوضح عالم المواد شون كاشيوايا من جامعة لينشوبينغ في السويد: “إذا صنعت مادة رقيقة للغاية، سيحدث شيء غير عادي – كما هو الحال مع الجرافين”.
“يحدث الشيء نفسه مع الذهب. كما تعلم، عادة ما يكون الذهب معدنًا، ولكن إذا كانت طبقة سميكة من ذرة واحدة، يمكن أن يصبح الذهب شبه موصل بدلاً من ذلك.”
من الصعب جدًا تحويل الذهب إلى تكوين ثنائي الأبعاد، نظرًا لميله إلى التكتل معًا. وقد أسفرت المحاولات السابقة إما عن طبقة رقيقة يبلغ سمكها عدة ذرات، أو طبقة أحادية محصورة بين أو فوق مادة أخرى، ولا يمكن فصلها.
لم يكن كاشيوايا وزملاؤه يعتزمون صنع غولدن، لكنهم تعثروا في الخطوات الأولى من عمليتهم عن طريق الصدفة.
يقول عالم فيزياء المواد لارس هولتمان من جامعة لينكوبينج: “لقد أنشأنا المادة الأساسية مع وضع تطبيقات مختلفة تمامًا في الاعتبار”.
“لقد بدأنا باستخدام سيراميك موصل للكهرباء يسمى كربيد السيليكون التيتانيوم، حيث يوجد السيليكون في طبقات رقيقة. ثم كانت الفكرة هي طلاء المادة بالذهب لإجراء اتصال. ولكن عندما قمنا بتعريض المكون لدرجة حرارة عالية، تم استبدال طبقة السيليكون بالذهب داخل المادة الأساسية.”
مسح الصورة المجهرية للإرسال لكربيد الذهب التيتانيوم. تمثل الكرات الزرقاء والصفراء والسوداء التيتانيوم والذهب والكربون على التوالي. (كاشيوايا وآخرون، نات سينث، 2024)
حتى الان جيدة جدا. ولكن كما هو الحال مع المحاولات الأخرى لإنتاج الذهب أحادي الطبقة، توقف التقدم عند هذه الخطوة الحاسمة. لعدة سنوات، ظل كربيد الذهب التيتانيوم المقحم الذي ابتكره الفريق على حاله، مع عدم وجود طريقة لاستخراج طبقات الذهب فائقة الرقة من بين طبقات التيتانيوم والكربون التي تحيط به.
هذا هو المكان الذي تأتي فيه تقنية تعتمد على محلول النقش تسمى كاشف موراكامي.
كاشف موراكامي عبارة عن خليط من المواد الكيميائية المستخدمة في تصنيع المعادن لحفر الكربون والفولاذ الملون، مما يؤدي إلى ظهور الأنماط التي تظهر على بعض السكاكين اليابانية.
لقد جربوا تركيزات مختلفة من الخليط، وأطر زمنية مختلفة لعملية النقش لتآكل التيتانيوم والكربون المحيط بالذهب. كلما تركتها لفترة أطول، كانت النتائج أفضل – لكن هذا لم يكن كل ما تطلبته الوصفة.
يؤدي تأثير النقش لكاشف موراكامي إلى إنشاء منتج ثانوي يسمى فيروسيانيد البوتاسيوم. إذا تعرض المركب للضوء، فإنه يطلق السيانيد الذي يذيب الذهب، لذلك يجب أن تتم عملية النقش بالكامل في الظلام.
أخيرًا، كانت الطبقة الرقيقة من الذهب تميل إلى الالتفاف والتكتل، وقد تم حل هذه المشكلة عن طريق إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي تمنع الطبقة من الطي والالتصاق بنفسها، مما يحافظ على سلامة الطبقة الأحادية. وكشف المزيد من التحليل أن هذه الخطوات غير الواضحة نجحت أخيرًا في تكوين غولدن مستقر، تمامًا كما تنبأت عمليات المحاكاة النظرية.
عادةً ما يكون الذهب موصلًا ممتازًا للكهرباء. عندما يأخذ العنصر شكل لوحة ثنائية الأبعاد، فإن الذرات يكون لها رابطتين حرتين، مما يحولها إلى شبه موصل له خصائص موصلة بين موصل وعازل. هذه مفيدة لأنه يمكن ضبط موصليتها.
يتمتع الذهب بالفعل بخصائص تجعله ذو قيمة عالية في التطبيقات الكيميائية. كما أن إضفاء خصائص أشباه الموصلات عليها يفتح المجال أمام مجموعة جديدة تمامًا من الطرق التي يمكننا من خلالها استخدامها، بما في ذلك تنقية المياه، والاتصالات، والإنتاج الكيميائي.
وقد تم نشر بحث الفريق في مجلة Nature Synthesis.
