اكتشاف طريقة جديدة للنظر داخل البلورات
مصر:إيهاب محمد زايد
فتحت تقنية جديدة تنتج نماذج ثلاثية الأبعاد من البلورات الفردية نافذة للعلماء لرؤية الانحرافات الدقيقة التي تظهر في أنماطها المثالية.
عاد باحثون من جامعة نيويورك (NYU) إلى لوحة الرسم حول كيفية النظر بعمق داخل المواد الصلبة المصنوعة من وحدات متكررة، وتحديد كيفية نموها.
مع طول موجي قصير تقريبًا بنفس حجم العديد من الوحدات المتكررة التي تشكل البلورات، سمحت الأشعة السينية للعلماء منذ فترة طويلة باستنتاج كيفية تناسب مكونات البلورة معًا عن طريق قياس الزاوية التي تنحرف بها الأشعة.
على الرغم من كل براعته، فإن علم البلورات بالأشعة السينية له حدوده، والتي تم تلخيصها بدقة إلى حد ما في الجملة الافتتاحية لورقة جديدة نشرت في مجلة Nature Materials هذا الشهر: “يتم تحديد هياكل البلورات الجزيئية باستخدام تقنيات التشتت لأننا لا نستطيع رؤيتها داخلهم.”
وتصف الورقة تقنية جديدة تعد بتغيير هذه الحقيقة أخيرًا، ولكن ليس بالنسبة للبلورات المكونة من وحدات متكررة من الذرات الفردية.
وبدلاً من ذلك، يتعلق الأمر ببلورات مكونة من أنماط تعتمد على جسيمات غروانية، وهي كبيرة بما يكفي لرؤيتها تحت المجهر التقليدي والتعامل معها بطريقة مستحيلة بالنسبة للذرات.
أتاحت دراسة مثل هذه البلورات التقدم في فهم ديناميكيات البلورات. يستشهد الباحثون بتجارب أجريت على الهياكل الغروية، والتي سلطت الضوء على تكوين وتطور الاضطرابات داخل الهياكل البلورية.
مثل علم البلورات بالأشعة السينية، فإن هذه التقنية لها حدود. إن الصعوبات في إيجاد طرق موثوقة لتصوير البلورات الغروية المعقدة نسبيًا تعني أن دراستهم حتى الآن اقتصرت إلى حد كبير على هياكل رقيقة وبسيطة تتكون من جسيم مكون واحد.
وعلى النقيض من ذلك، تتكون العديد من البلورات ذات المقياس الذري من عنصرين أو أكثر وتشكل هياكل معقدة ثلاثية الأبعاد.
تعد التقنية الجديدة التي ابتكرها فريق جامعة نيويورك بالسماح بدراسة النظائر الغروية لهذه الشبكات المعقدة نسبيًا. تعتمد هذه التقنية على بعض الأعمال السابقة للفريق، والتي طوروا فيها عملية تسمى “التجميع الذاتي الكولومبي المخفف بالبوليمر”، أو PACS.
يستخدم نظام التجميع الذاتي الكولومبي المخفف بالبوليمر الشحنات الكهربائية الفردية للجسيمات الغروية لسحبها إلى شبكات بلورية، مما يسمح بالبناء الموثوق للبلورات الغروية الثنائية – البلورات التي تتكون من جزيئات مكونة من نوعين مختلفين من الجسيمات بنفس الطريقة التي تتشكل بها بلورات ملح الطعام، على سبيل المثال. من الصوديوم والكلور.
توضح الدراسة الجديدة فعالية زرع هذه الجزيئات الغروية الفردية بصبغة الفلورسنت لتمييز نوع واحد عن الآخر، والأهم من ذلك، الاستمرار في القيام بذلك بمجرد تكوين بلورات. وهذا يعني أنه بعد طول انتظار، يمكن للعلماء “النظر داخل” بلورة مكتملة التكوين وإجراء ملاحظات مباشرة على أحشائها الداخلية.
وكما ذكر الباحثون، “نحن قادرون على التمييز بين جميع الجسيمات داخل البلورة الأيونية الثنائية، وإعادة بناء البنية الداخلية ثلاثية الأبعاد بالكامل حتى أعماق تصل إلى 200 طبقة.”
أبلغ فريق جامعة نيويورك عن العديد من النتائج الجديدة التي استخلصها بالفعل من الملاحظات.
إن العملية المعروفة باسم “التوأمة”، حيث تتم محاذاة شبكتي البلورات بطريقة تتشاركان بها أجزاء المكونات على طول مستوى مشترك، كانت موضع اهتمام العلماء منذ فترة طويلة.
يصف الباحثون إنشاء بلورات غروانية تعيد إنتاج الهياكل المكعبة على المستوى الذري للعديد من المعادن المختلفة: الشبكة المتناوبة المذكورة أعلاه من الصوديوم والكلور التي تشكل ملح الطعام؛ كلوريد السيزيوم، حيث تشكل ثماني ذرات كلور “قفصًا” حول ذرة سيزيوم واحدة؛ والمثال الأكثر غرابة إلى حد ما هو أوريكوبرايد، وهو مركب من النحاس والذهب، حيث يتخلل كل وجه من شبكة مكعبة من ذرات الذهب ذرة نحاس واحدة، مثل قالب حيث يكون كل وجه واحدًا.
وفي كل حالة، كان الفريق قادرًا على إجراء ملاحظات مباشرة لتطور البلورات المزدوجة، وبالتالي توفير ملاحظة تجريبية مباشرة لكيفية ظهور هذه الهياكل.
يقول الباحثون: “هذه الملاحظة المباشرة تكشف بشكل لا لبس فيه التعقيدات الداخلية للبنية البلورية، وتوضح العلاقة بين تفاعلات الجسيمات والشكل البلوري العياني، بما في ذلك ظهور وتأثير العيوب والتوأمة”.
وتتطلع المجموعة إلى كشف أسرار البلورات، بعد أكثر من 100 عام من اكتشاف الأشعة السينية التي أتاحت للبشرية أول تلميح لتعقيدات البنية البلورية.
وقد تم نشر البحث في مجلة Nature Materials .
