محاولة جديدة لتحويل الغرافيت لألماس

كشف فريق من الباحثين من مركز ستانفورد للمسرع الخطي  SLAC طريقة جديدة محتملة لإنتاج أفلام رقيقة من الماس التي يمكن استخدامها لتطبيقات صناعية عديدة، كأدوات قطع وأجهزة الالكترونية وحساسات كهروكيميائية.

حيث أضاف العلماء مجموعة من طبقات الغرافين _وهي عبارة عن صفائح بسماكة ذرة واحدة من الغرافيت _ على ركيزة معدنية من البلاتين وعرضوا طبقتها السطحية للهدروجين ، ما أدهش العلماء هو استجابة السطح الذي فجر تفاعل تسلسلي يدعى بـتأثير الدومينو- سلسلة من ردود الفعل التي تحدث عندما يؤدي تغيير صغير الى تغيير مماثل بالقرب منه والذي بدوره يسبب تغيير مماثل أخر وهلم جرا في تسلسل خطي مثل أحجار الدمينو تماماً- حيث تغيرت بنية وهيكل جميع الطبقات الغرافينية من بنية غرافيت إلى بنية شبيهة بالماس.

يقول سارب كايا الباحث في مركز SUNCAT لعلوم السطوح البينية والمحفزات "قدمنا الدليل التجريبي الأول على أن الهدرجة ممكن أن تحفز مثل هذا التحول الى الغرافين"

ان الغرافيت والماس يتكونان من نفس العنصر الكيميائي وهو الكربون ، حيث أن ذرات الكربون في الغرافيت مرتبة بشكل صفائح مستوية تنزلق فيما بينها بسهولة ، مما يجعل بنيتها لينة ويمكن استخدامها لأقلام الرصاص.بينما في بنية الألماس تكون ذرات الكربون مترابطة بشكل فراغي أي بكل الاتجاهات، مما يجعل الألماس عالي الصلابة، بالإضافة للقوة الميكانيكية فإن الماس يتمتع أيضاً بخصائص كهربائية وبصرية وكيميائية غير اعتيادية تساهم بشكل واسع في التطبيقات الصناعية.

يطمح العلماء الى فهم التحولات البنيوية بين أشكال الكربون وحتى التحكم بها من أجل تحويل نوعي من شكل لآخر.الطريقة الوحيدة لتحويل الغرافيت إلى ألماس هي بتطبيق ضغط عالي ، حيث سيحتاج الغرافيت باعتباره الشكل الأكثر استقراراً للكربون ضمن الظروف العادية إلى 150 ألف مرة من الضغط الجوي النظامي حتى يتحول الى ألماس.الآن هناك طريقة بديلة في متناولنا ممكن أن نستغني فيها عن تطبيق ضغوط عالية وذلك بالعمل على المستوي النانوي .

وضع الباحثون أربع طبقات من صفائح الغرافين على ركيزة من معدن البلاتين وأضافوا الهيدروجين إلى الطبقة العليا مع مساعدة حزمة كثيفة من الأشعة السينية X-RAY الصادرة عن منبع الأشعة السنكروترونية الموجود في ستانفورد (SSRL، Beam Line 13-2)، مستعينين بمجموعة الحسابات النظرية التي قام بها الباحث فرانك ابيلد بيدرسون من مركزSUNCAT (الطاقة المستدامة عن طريق التحفييز الكيميائي) ،استطاع الفريق تحديد مدى تأثير روابط الهيدروجين على بنية الطبقات الغرافيتية.

حيث وجدوا أن روابط الهيدروجين بدأت بتأثير الدومينو مع تغيرات بنيوية تنتشر من سطح العينة وخلال جميع طبقات الكربون التي تحتها وتحول صفائح الكربون المستوية ذات البنية الغرافيتية الأولية إلى ترتيب لذرات الكربون بشكل مشابه لبنية الماس.يظهر في الشكل التالي توضع أربع طبقات من الغرافين (تُمثل ذرة الكربون بكرة سوداء ) على ركيزة من البلاتين (كرات زرقاء ) والكرات الخضراء تمثل ذرات الهيدروجين المضافة

لقد كان هذا الاكتشاف غير متوقع لأن الهدف الأساسي من التجربة هو دراسة تأثر خواص الغرافين اذا ما تمت اضافة هيدروجين اليه بحيث تجعله صالح لاستعمالات الترانزستورات (حجر الأساس الرئيسي في الأجهزة الالكترونية )، بدلاً من ذلك اكتشف العلماء أن روابط الهيدروجين أسفرت عن تشكيل روابط كيميائية بين الغرافين وركيزة البلاتين. تكوَن هذه الروابط هو أمر مهم ومفصلي لبدء تأثير الدومينو حيث يقول كايا" لاستقرار هذه العملية ، يجب أن ترتبط ركيزة البلاتين مع طبقة الكربون الأقرب إليها، كما قدرة البلاتين على تشكيل هذه الروابط ستحدد الاستقرار الكلي للفيلم الشبيه بالألماس"

ستكشف البحوث المستقبلية كامل الإمكانات لعملية هدرجة طبقات الغرافين من أجل تطبيقات في علوم المواد، وسيكون التركيز بشكل خاص على إمكانية تنمية أفلام مشابهة للماس على ركائز من معادن أخرى باستخدام الغرافين بسماكات مختلفة