به گزارش خبرنگار حوزه دریچه فناوری گروه فضای مجازی باشگاه خبرنگاران جوان، به نقل از ox.ac.uk، اکثر افرادی که در حوزه شیمی فعالیت دارند، نمونه‌هایی از نحوه جهت گیری پیوند کووالانسی برای یک عنصر معین را مشاهده کرده اند که می‌تواند ساختار‌های بلوری آن‌ها را تعیین کند.

به عنوان مثال، پیوند چهار ضلعی اتم‌های کربن به طور طبیعی منجر به ساختار بلوری الماس می‌شود، در سال ۱۹۸۲ دان ششتمن با کشف ساختار‌های شبه دوره ای، شبه بلور‌های نمادین شکل در آلیاژ آلومینیوم و منگنز نشان داد که شبه بلور‌های ایکوساهدرال آنالوگ‌های سه بعدی کاشی‌های پنروز و دارای برد طولانی هستند، اما بر خلاف کریستال معمولی، هیچ "واحد سلولی" تکراری ندارند.

ترتیب این بلور‌های شبه بلوری با الگو‌های پراش که هنگام عبور الکترون‌ها یا اشعه ایکس از آن‌ها ایجاد می‌شود، آشکار می‌شود و برچسب icosahedral دارند، زیرا مانند ایکوساهدرال که یکی از جامدات افلاطونی است، شش محور وجود دارد که در طول آن‌ها تقارن پنج برابر در الگو‌های پراش آشکار می‌شود، شختمن با این کشف و تغییر پارادایم جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۱۱ را دریافت کرد.

شبه بلور چیست؟

شبه بلورها، ساختاری غیرمعمول از مواد جامد هستند و از دو گروه اتم که به دو آرایش مختلف در فواصل مختلف تکرار می‌شوند، ساخته شده‌اند؛ در حالی که در بلور معمولی، اتم ها به شکل منظم تکرار می‌شوند که سبب می‌شود شبه بلور‌ها تقارن کروی بیشتری نسبت به بلور‌های معمولی داشته باشند.

پرسش اصلی تحقیق مقاله اخیر Nature، این است که آیا می‌توان ذراتی را با پیوند جهت ایجاد شبه بلور‌های ایکوساهدرال طراحی کرد؟ برای پاسخ به این سوال محققان کشف سر راجر پنروز، ریاضیدان و فیزیکدان آکسفورد که برنده جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۲۰ شد را بررسی کردند.

در سال ۱۹۷۴ او نشان داد که می‌توان یک هواپیما را فقط با دو نوع کاشی Penrose طراحی کرد، به طوری که کاشی کاری تکرار نمی‌شود، الگوی این کاشی‌ها دارای یک نوع تقارن ۵ برابر است که برای بلور‌های معمولی امکان پذیر نیست و این کاشی‌های Penrose، "دارای نظم شبه دوره ای" هستند.

مطالعات دانشمندان در زمینه شبه بلورها

در سال ۲۰۱۴، اوا گونزالس نویا و پروفسور جاناتان دوی آزمایشاتی را در این زمیته شروع کردند که جاناتان دوی در این باره گفت: یکی از چالش‌هایی که ما با آن روبرو بودیم این است که توصیف ساختار شبه بلور‌ها پیچیده‌تر از بلور‌های دوره‌ای است، به عنوان مثال اگر فردی الگوی پراش یک بلور را داشته باشد، می‌تواند دقیقاً مشخص کند که همه اتم‌ها کجا هستند که این در مورد یک شبه کریستال ایکوساهدرال، توصیفی از شبه بلور از نظر یک کریستال در شش بعد خواهد بود.

در برخی از آزمایشات محاسباتی گروه شارون گلوتزر در دانشگاه میشیگان، شبه بلور‌های ایکوساهدرال در سیستم‌هایی بدون پیوند جهت دار شکل گرفتند، اگرچه در این نمونه‌ها موقعیت همه ذرات مشخص بود، اما چالش دیگری آشکار شد؛ شبه بلور‌های ایکوساهدرال دارای نظم طولانی برد زیبایی هستند، اما از نظر محلی کاملاً بی نظم هستند. به عنوان مثال، اگر در این مثال بخواهیم ذراتی داشته باشیم که همه الگو‌های مختلف پیوند موضعی را بازتولید کنند، تعداد انواع ذرات مورد نیاز برای عملی بودن بسیار زیاد خواهد بود.

بعد از بررسی‌های مختلف و مطالعات فراوان در این زمینه در سال ۲۰۱۸ اولین سیستم نمونه متشکل از پنج نوع ذره یافت شد که در یک شبه بلور شبه کریستالی مونتاژ شده بود، البته بعدا در شبیه سازی، این به یک سیستم با دو نوع ذره ساده شد و برای نشان دادن کلیت اصول طراحی، یک سیستم شبه کریستال دوم ایجاد شد که دارای الگوی کاملاً متفاوتی از پیوند جهت محلی بود، تا حدودی مانند نمونه‌های آلیاژی فلزی، اجزای سازنده کلیدی خوشه‌های ایکوساهدرال (triacontahedra زرد و فیروزه‌ای لوزی) هستند که در ماتریسی از ذرات تشکیل دهنده نظم جهانی شکل می‌گیرند.

شبه کریستال‌ها چه خواصی دارند؟

• جذب نور
• چسبندگی کم
• اصطکاک کم
• عایق حرارت
• مقاومت بالا در برابر خوردگی
• عایق الکتریسیته در دما‌های کم

شبه کریستال‌ها چه کاربرد‌هایی دارند؟

• پوشش‌های نچسب و فیلم نازک
• نانوذرات شبه کریستالی
• ذخیره‌سازی هیدروژن
• فاز تقویت‌کننده در کامپوزیت‌ها
• جذب نور فروسرخ
• محافظت در برابر خوردگی و اکسیداسیون

آیا شبه بلور‌های کشف شده از طریق محاسبات را می‌توان به صورت آزمایشی تولید کرد؟

بعد از انجام آزمایشات سوال مهمی که برای دانشمندان به وجود آمده این است که آیا این شبه بلور‌های کشف شده از طریق محاسبات را می‌توان به صورت آزمایشی تولید کرد؟ اگرچه بعید است که بتوان آن‌ها را از مواد اتمی تشکیل داد، اما اتم‌ها تنها ذراتی نیستند که بلور‌ها را تشکیل می‌دهند، نانوذرات و ذرات کلوئیدی نیز می‌توانند کریستال تشکیل دهند. به عنوان مثال، عقیق گرانبها حاوی بلور‌های کروی سیلیکایی کلوئیدی است و کدر بودن آن‌ها ناشی از پراش نور توسط این بلور‌ها است.

به تازگی، کریستال‌های تشکیل شده از بلوک‌های ساختمانی ساخته شده از DNA کشف شده است که زیبایی این تکنیک‌های فناوری نانو DNA در این است که شکل ذرات DNA و فعل و انفعالات بین آن‌ها تقریباً خودسرانه قابل کنترل است، مدل سازی محاسباتی چنین ذرات DNA نشان می‌دهد که ساختن شبه بلور‌های ایکوساهدرال از ذرات اوریگامی DNA می‌تواند به خوبی امکان پذیر باشد.

با توجه به کاربرد‌ها و خواص شبه کریستال‌ها که بالا اشاره شد اگر بشود چنین شبه بلور‌هایی ساخت تولید محصولات در آینده از طریق آن‌ها امکان پذیر خواهد بود مثلا در صنعت هواپیما سازی و در ساخت بدنه مقاوم برای آن ها، همچنین کریستال‌ها را می شود به قطعات الکترونیکی برای ساخت مدار‌های الکترونیکی،  ساعت‌های هوشمند و سایر ابزار‌های دیجیتال تبدیل کرد.

بیشتر بخوانید

• کشف رازی جدید در مکانیک کوانتوم

انتهای پیام/