نخستین فاز پنهان ماده ثبت شد

پژوهشگران دانشگاه براون و دانشکده مهندسی دانشگاه میشیگان موفق شده‌اند برای نخستین بار یک حالت گذار و پنهان ماده را که دهه‌ها تنها در مدل‌های نظری پیش‌بینی شده بود، پایدارسازی و مشاهده کنند؛ دستاوردی که می‌تواند افق‌های تازه‌ای را در مهندسی مواد، فناوری‌های کوانتومی و رایانش کوانتومی بگشاید.

به گزارش ساینس دیلی، نتایج این پژوهش که در نشریه معتبر Science منتشر شده است نشان می‌دهد محققان با استفاده از نانوذرات مهندسی‌شده توانسته‌اند ساختاری جدید از ماده ایجاد کنند که یک وضعیت میانی بسیار ناپایدار میان دو آرایش بلوری رایج فلزات را تثبیت می‌کند. این موفقیت نه‌تنها درک دانشمندان از نحوه تغییر ساختار داخلی مواد را افزایش می‌دهد بلکه خواص نوری کوانتومی غیرمنتظره‌ای را نیز آشکار کرده است که می‌تواند در توسعه فناوری‌های کوانتومی آینده کاربرد داشته باشد.

او چن، استاد شیمی دانشگاه براون و از نویسندگان مسئول این پژوهش در توضیح این دستاورد گفت: کار ما تا حدی شبیه بازی کودکان با قطعات لگو است. ما بلوک‌های سازنده‌ای در مقیاس نانو تولید می‌کنیم و آنها را در ساختار‌های جدید کنار هم قرار می‌دهیم. در این پروژه توانستیم ساختار‌های گذار پیش‌بینی‌شده را پایدار کنیم و خواص نوری کوانتومی مهمی را در آنها نشان دهیم.

ثبت مستقیم مرحله‌ای که تاکنون تنها در نظریه وجود داشت

بسیاری از فلزات به‌طور طبیعی اتم‌های خود را در یکی از دو ساختار بلوری اصلی سازمان‌دهی می‌کنند: ساختار مکعبی مرکزپر وجهی (FCC) و ساختار مکعبی مرکزپر حجمی (BCC).

در ساختار FCC اتم‌ها با بیشترین تراکم ممکن در گوشه‌ها و مرکز هر وجه مکعب قرار می‌گیرند. در مقابل در ساختار BCC اتم‌ها در گوشه‌های مکعب و یک اتم در مرکز آن قرار دارد. این دو آرایش از متداول‌ترین ساختار‌های بلوری در فلزات محسوب می‌شوند.

برخی فلزات در اثر افزایش دما می‌توانند بین این دو ساختار جابه‌جا شوند. برای مثال آهن در دمای حدود ۹۱۲ درجه سانتی‌گراد از ساختار BCC به FCC تبدیل می‌شود. دانشمندان طی دهه‌های گذشته مدل‌های مختلفی را برای توضیح این گذار ارائه کرده‌اند.

یکی از شناخته‌شده‌ترین این مدل‌ها مسیر نیشیاما واسرمن (Nishiyama-Wassermann) است که وجود چندین ساختار میانی و گذرا را در هنگام تبدیل FCC به BCC پیش‌بینی می‌کند. با این حال از آنجا که این مراحل گذار ذاتا ناپایدار هستند تاکنون مشاهده مستقیم آنها تقریبا غیرممکن بوده است.

اکنون پژوهشگران با استفاده از نانوذرات نقره‌ای ویژه موفق شده‌اند این فاز‌های گذار گریزان را بازسازی و مشاهده کنند.

تیم مور از نویسندگان مطالعه و پژوهشگر دانشگاه میشیگان گفت: دانشمندان مواد مدت‌هاست تلاش می‌کنند نسبت ساختار‌های FCC و BCC را در فلزات کنترل کنند، اما مطالعه مراحل گذار میان این دو ساختار بسیار دشوار بوده است. مشاهده مستقیم این ساختار‌ها یک پیشرفت بنیادی در علم مواد محسوب می‌شود و امکان کنترل دقیق‌تر مهندسی نانومواد را فراهم می‌کند.

ساخت مواد جدید با نانوذرات سفارشی

برای تولید این ماده جدید محققان نانوذراتی از جنس نقره با نام میکان (Mecon) سنتز کردند. این ذرات شکلی شبیه به هشت‌وجهی ناقص دارند؛ ساختاری ۱۴ وجهی که می‌توان آن را شکلی میان کره و مکعب دانست.

به گفته پژوهشگران این هندسه خاص اهمیت زیادی دارد، زیرا کره‌ها و مکعب‌ها هنگام کنار هم قرار گرفتن رفتار‌های متفاوتی از خود نشان می‌دهند و شکل میانی می‌تواند مسیر‌های جدیدی برای آرایش ذرات ایجاد کند.

دانشمندان با تغییر دمای فرآیند سنتز مجموعه‌ای از ذرات با اشکال مختلف از حالت‌های گردتر تا ساختار‌های مکعبی‌تر تولید کردند سپس سطح این ذرات را با زنجیره‌های مولکولی بلند پوشاندند که مانند چسب عمل کرده و به اتصال و خودآرایی آنها کمک می‌کرد.

پس از تشکیل شبکه‌های منظم از نانوذرات محققان ساختار‌های ایجادشده را با ترکیب آزمایش‌های تجربی و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پیشرفته مورد بررسی قرار دادند.

نتایج نشان داد پوشش‌های مولکولی نقش کلیدی در شکل‌گیری ساختار‌های گذار دارند. این پوشش‌ها ضمن ایجاد انعطاف‌پذیری لازم برای جابه‌جایی ذرات امکان قرارگیری آنها در آرایش‌هایی را فراهم می‌کنند که دقیقا با پیش‌بینی‌های مدل نیشیاما واسرمن مطابقت دارد.

مور در این‌باره توضیح داد: می‌توان این ذرات را شبیه توپ‌های کوچکی تصور کرد که سطح آنها با مو‌های انعطاف‌پذیر پوشیده شده است. این مو‌ها به ذرات اجازه حرکت می‌دهند و در عین حال باعث می‌شوند به‌خوبی در کنار یکدیگر قرار بگیرند.

کشف رفتار نوری کوانتومی غیرمنتظره در دمای اتاق

پژوهشگران در جریان آزمایش‌ها به ویژگی شگفت‌انگیز دیگری نیز دست یافتند. هنگامی که ساختار‌های جدید در معرض نور قرار گرفتند نشانه‌هایی از برهم‌کنش فوق‌قوی نور و ماده (Deep-Strong Light-Matter Coupling) مشاهده شد.

در این پدیده الکترون‌های موجود در نانوذرات نقره همگام با امواج نور نوسان می‌کنند و وارد حالت درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌شوند؛ رفتاری که معمولا تنها در دما‌های بسیار پایین قابل مشاهده است، اما ماده جدید توسعه‌یافته این ویژگی را در دمای اتاق نشان داده است؛ موضوعی که می‌تواند اهمیت فراوانی برای توسعه نسل آینده رایانش کوانتومی، حسگر‌های فوق‌دقیق و سامانه‌های پردازش اطلاعات کوانتومی داشته باشد.

او چن در پایان تاکید کرد: هر زمان که بتوانیم یک فاز جدید از ماده را شناسایی کنیم مسیر‌های تازه‌ای برای کاربرد‌های علمی و فناوری پیش روی ما گشوده خواهد شد.

این دستاورد علاوه بر تایید یکی از مهم‌ترین پیش‌بینی‌های نظری علم مواد رویکردی نوین برای طراحی مواد از طریق نانوذرات سفارشی ارائه می‌دهد؛ رویکردی که می‌تواند به تولید نسل جدیدی از مواد با ویژگی‌های کاملا مهندسی‌شده و کاربرد‌های گسترده در فناوری‌های پیشرفته منجر شود.