يقدم بحث جديد رؤية أوضح لكيفية ظهور التحولات الطورية على المستوى الذري في المواد الحقيقية.
عندما يتحول الجليد إلى ماء، يحدث التغيير على الفور تقريبًا. بمجرد الوصول إلى درجة حرارة الانصهار، ينهار الهيكل الصلب للمادة الصلبة ويصبح سائلًا متدفقًا. يعد هذا التحول المفاجئ نموذجيًا لمعظم المواد ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، فإن المواد الرقيقة للغاية تتصرف بشكل مختلف تمامًا. فبدلاً من التحول مباشرة من الحالة الصلبة إلى السائلة، يمكنها المرور عبر حالة وسيطة غير عادية تعرف باسم المرحلة السداسية.
الباحثون في جامعة فيينا لقد لاحظوا الآن بشكل مباشر هذه الحالة النادرة في بلورة رقيقة ذريًا. من خلال الجمع بين المجهر الإلكتروني المتقدم وتحليل الشبكة العصبية، سجل الفريق بلورة يوديد الفضة، محمية بواسطة الجرافين، كما ذابت. أتاحت هذه المواد فائقة الرقة ثنائية الأبعاد مشاهدة الذوبان على المستوى الذري أثناء حدوثه. تعمق النتائج الفهم العلمي للتحولات الطورية، وبشكل غير متوقع، تتحدى التنبؤات النظرية السابقة. وقد تم نشر العمل الآن في علوم.
في التجربة اليومية، يكون الذوبان مفاجئًا. يفقد الجليد والمعادن والمواد الأخرى ثلاثية الأبعاد بنيتها المنظمة بمجرد الوصول إلى نقطة الانصهار، وتصبح سوائل غير منتظمة على الفور تقريبًا. لطالما اعتبر هذا التحول السريع سمة عالمية لذوبان المواد السائبة.
تتغير هذه الصورة عندما يتم تقليل المواد إلى بعدين تقريبًا. عند هذه النحافة الشديدة، يمكن أن يستمر الذوبان على مراحل. بين الحالتين الصلبة والسائلة، يمكن أن يظهر شكل وسيط متميز من المادة، يسمى الطور السداسي. تم اقتراح هذه المرحلة لأول مرة في السبعينيات، وهي تجمع بين خصائص كلتا الحالتين. تصبح المسافات بين الجسيمات غير منتظمة، مثل السائل، بينما تظل الزوايا بين الجسيمات المتجاورة منظمة بشكل جيد نسبيًا، تشبه المادة الصلبة.
حتى الآن، كان الدليل على الطور السداسي مقتصرًا على أنظمة النماذج واسعة النطاق، مثل الكرات البلاستيكية المعبأة بإحكام. ما إذا كان يمكن أن يوجد نفس السلوك في المواد الحقيقية المرتبطة ببعضها البعض بروابط كيميائية قوية، فهذا سؤال مفتوح. وقد أجاب عليه الآن الفريق الدولي بقيادة جامعة فيينا.
من خلال مراقبة بلورات يوديد الفضة الرقيقة ذريًا (AgI) أثناء ذوبانها، أظهر الباحثون لأول مرة أن الطور السداسي يمكن أن يحدث في مادة مرتبطة تساهميًا. يؤدي هذا إلى حل لغز علمي طويل الأمد ويكشف عن تفاصيل جديدة حول كيفية حدوث الذوبان في بعدين.
ذوبان الذرات في “شطيرة الجرافين” الواقية
وباستخدام المجهر الإلكتروني الماسح المتقدم (STEM) المجهز بمرحلة تسخين، قام الفريق برفع درجة الحرارة ببطء إلى أكثر من 1100 درجة مئوية. وقد أتاح هذا النهج تسجيل عملية الذوبان مباشرة، والتقاط التغيرات على المستوى الذري عند حدوثها. من خلال الجمع بين هذه الصور عالية الدقة مع تحليل الشبكة العصبية، تمكن الباحثون من تتبع كيفية مرور البلورة الصلبة عبر المرحلة السداسية قبل أن تصبح سائلة بالكامل، مما يوفر رؤية نادرة في الوقت الحقيقي للانصهار على مستوى الذرات الفردية.
يوضح كيمو موستونن من جامعة فيينا، المؤلف الرئيسي للدراسة: “لولا استخدام أدوات الذكاء الاصطناعي مثل الشبكات العصبية، لكان من المستحيل تتبع كل هذه الذرات الفردية”. وقام الفريق بتدريب الشبكة بكميات هائلة من مجموعات البيانات المحاكاة قبل معالجة آلاف الصور عالية الدقة التي تم إنشاؤها بواسطة التجربة.
وقد أسفر تحليلهم عن نتيجة رائعة: في إطار درجة حرارة ضيقة – حوالي 25 درجة مئوية تحت نقطة انصهار AgI – حدثت مرحلة سداسية مميزة. أكدت قياسات حيود الإلكترون التكميلية هذه النتيجة وقدمت دليلًا قويًا على وجود هذه الحالة الوسيطة في المواد الرقيقة ذريًا والمرتبطة بقوة.
فصل جديد في فيزياء الذوبان
وكشفت الدراسة أيضا عن تطور غير متوقع. ووفقا للنظريات السابقة فإن التحولات من الحالة الصلبة إلى السداسية ومن السداسية إلى السائلة يجب أن تكون مستمرة. ومع ذلك، لاحظ الباحثون أنه في حين أن التحول من الحالة الصلبة إلى السداسية كان مستمرًا بالفعل، فإن الانتقال من السداسي إلى السائل كان مفاجئًا، على غرار ذوبان الجليد في الماء.
يقول ديفيد لامبرخت من جامعة فيينا وجامعة فيينا للتكنولوجيا (TU Wien)، أحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة إلى جانب ثوي آن بوي، من جامعة فيينا أيضًا: “يشير هذا إلى أن ذوبان البلورات التساهمية ثنائية الأبعاد أكثر تعقيدًا بكثير مما كان يُعتقد سابقًا”.
لا يتحدى هذا الاكتشاف التنبؤات النظرية طويلة الأمد فحسب، بل يفتح أيضًا آفاقًا جديدة في دراسة المواد على المستوى الذري. يقول جاني كوتاكوسكي، رئيس المجموعة البحثية في جامعة فيينا: “لقد أثبت كيمو وزملاؤه مرة أخرى مدى قوة الفحص المجهري ذي الدقة الذرية”.
نتائج الدراسة لا تعمق فهمنا للانصهار في بعدين فحسب، بل تسلط الضوء أيضًا على إمكانات الفحص المجهري المتقدم والذكاء الاصطناعي في استكشاف حدود علم المواد.
هذا هو covals. بينكوك، 4 ديسمبر 2025 علوم.
دوى: 10.1126/science.adv7915
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
تنويه من موقعنا
تم جلب هذا المحتوى بشكل آلي من المصدر:
yalebnan.org
بتاريخ: 2025-12-25 16:56:00.
الآراء والمعلومات الواردة في هذا المقال لا تعبر بالضرورة عن رأي موقعنا والمسؤولية الكاملة تقع على عاتق المصدر الأصلي.
ملاحظة: قد يتم استخدام الترجمة الآلية في بعض الأحيان لتوفير هذا المحتوى.