الكشف عن البنية المخفية لمادة غامضة عالية التقنية

في خطوة ثورية، كشف باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن البنية الذرية لمادة كهروضوئية مرخية، مما يعد تقدمًا كبيرًا في فهم الخصائص الكهروضوئية.

الكشف عن البنية المخفية لمادة غامضة عالية التقنية

لعبت المواد المعروفة باسم المواد الكهروضوئية المرخية دورًا مهمًا لعقود من الزمن في تقنيات مثل التصوير بالموجات فوق الصوتية والميكروفونات والسونار. ويأتي أدائها غير العادي من الطريقة التي يتم بها ترتيب الذرات داخلها. ومع ذلك، كان من الصعب للغاية قياس هذا الهيكل الداخلي بشكل مباشر، مما ترك العلماء يعتمدون على نماذج غير مكتملة.

الآن، قام باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤسسات المتعاونة، ولأول مرة، برسم خريطة للبنية الذرية ثلاثية الأبعاد لجهاز الاسترخاء الكهروضوئي. نتائجهم ستنشر في علوم، تقدم أساسًا أكثر وضوحًا لتحسين النماذج المستخدمة لتصميم أنظمة الحوسبة المستقبلية وأجهزة الطاقة وأجهزة الاستشعار المتقدمة.

فهم أفضل للخصائص الكهروضوئية

يقول المؤلف المقابل جيمس ليبو، أستاذ علوم وهندسة المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “الآن بعد أن أصبح لدينا فهم أفضل لما يحدث بالضبط، يمكننا التنبؤ بشكل أفضل وهندسة الخصائص التي نريد أن تحققها المواد”. “لا يزال مجتمع البحث يطور طرقًا لهندسة هذه المواد، ولكن من أجل التنبؤ بالخصائص التي ستتمتع بها تلك المواد، عليك أن تعرف ما إذا كان النموذج الخاص بك صحيحًا.”

الكشف عن أنماط الشحنات الخفية في المواد المعقدة

في الدراسة، استخدم الفريق طريقة تصوير متطورة لفحص كيفية توزيع الشحنات الكهربائية في جميع أنحاء المادة. وما وجدوه يتحدى الافتراضات السابقة.

“لقد أدركنا أن الاضطراب الكيميائي الذي لاحظناه في تجاربنا لم يتم أخذه في الاعتبار بشكل كامل من قبل”، كما يقول المؤلفان المشاركان مايكل شو ومينغلين تشو، وكلاهما من باحثي ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. “من خلال العمل مع المتعاونين معنا، تمكنا من دمج الملاحظات التجريبية مع عمليات المحاكاة لتحسين النماذج والتنبؤ بشكل أفضل بما نراه في التجارب.”

وضم فريق البحث أيضًا كولين جيلجنباخ وبريدجيت ر. دينزر، طلاب الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في علوم وهندسة المواد؛ ويوبو تشي، أستاذ مساعد في جامعة ألاباما في برمنغهام؛ جيون كيم، أستاذ مساعد في المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا؛ جياهاو تشانغ، طالب دكتوراه سابق في جامعة بنسلفانيا؛ لين دبليو مارتن، أستاذ في جامعة رايس؛ وأندرو إم راب، الأستاذ بجامعة بنسلفانيا.

فحص المواد المضطربة على المستوى الذري

اقترحت النماذج الحاسوبية منذ فترة طويلة أنه عندما يتم تطبيق مجال كهربائي على المرخيات الكهروضوئية، فإن التفاعلات بين الذرات المشحونة إيجابيا وسلبيا داخل مناطق صغيرة تساعد في إنشاء قدرات قوية لتخزين الطاقة والاستشعار. حتى الآن، لم يكن من الممكن ملاحظة تلك المناطق النانوية بشكل مباشر.

لمزيد من التحقيق، ركز الباحثون على مادة مستخدمة على نطاق واسع موجودة في أجهزة الاستشعار والمحركات وأنظمة الدفاع، وهي سبيكة تيتانات الرصاص من المغنيسيوم نيوبات الرصاص. لقد طبقوا تقنية متقدمة تسمى التيكوغرافيا الإلكترونية متعددة الشرائح (MEP). تتضمن هذه الطريقة مسح شعاع نانوي من الإلكترونات عالية الطاقة عبر المادة وتسجيل أنماط الحيود الناتجة.

يوضح تشو: “نقوم بذلك بطريقة تسلسلية، وفي كل موضع، نكتسب نمط الحيود”. “هذا يخلق مناطق من التداخل، وهذا التداخل لديه معلومات كافية لاستخدام خوارزمية لإعادة بناء معلومات ثلاثية الأبعاد بشكل متكرر حول الكائن ووظيفة موجة الإلكترون.”

باستخدام هذا النهج، كشف الفريق عن تسلسل هرمي متعدد الطبقات من الهياكل الكيميائية والقطبية، يمتد من الذرات الفردية إلى السمات المجهرية الأكبر. واكتشفوا أيضًا أن المناطق ذات الاستقطاب المختلف كانت أصغر بكثير مما تنبأت به عمليات المحاكاة السابقة. ومن خلال دمج هذه الملاحظات في نماذجهم، تمكن الباحثون من تحسين مدى توافق عمليات المحاكاة مع سلوك العالم الحقيقي.

يقول شو: “في السابق، كانت هذه النماذج تحتوي بشكل أساسي على مناطق استقطاب عشوائية، لكنها لم تخبرك كيف ترتبط تلك المناطق مع بعضها البعض”. “الآن يمكننا أن نخبرك بهذه المعلومات، ويمكننا أن نرى كيف تقوم الأنواع الكيميائية الفردية بتعديل الاستقطاب اعتمادًا على حالة شحن الذرات.”

نحو مواد أفضل لتقنيات المستقبل

وفقًا لتشو، فإن النتائج تسلط الضوء على القوة المتزايدة للتيكوغرافيا الإلكترونية لاستكشاف المواد المعقدة والمضطربة، ويمكن أن تؤدي إلى خطوط بحث جديدة.

يقول شو: “هذه الدراسة هي المرة الأولى في المجهر الإلكتروني التي تمكنا فيها من ربط البنية القطبية ثلاثية الأبعاد للكهرباء الحديدية المخففة بشكل مباشر مع حسابات الديناميكيات الجزيئية”. “ويثبت أيضًا أنه يمكنك الحصول على معلومات ثلاثية الأبعاد من العينة باستخدام هذه التقنية.”

ويعتقد الفريق أن هذه الطريقة يمكن أن تساعد العلماء في نهاية المطاف على تصميم مواد ذات خصائص إلكترونية مخصصة، وتحسين التقنيات مثل تخزين الذاكرة، وأنظمة الاستشعار، وأجهزة الطاقة.

يقول ليبو: “يدمج علم المواد المزيد من التعقيد في عملية تصميم المواد – سواء كان ذلك بالنسبة للسبائك المعدنية أو أشباه الموصلات – حيث تحسن الذكاء الاصطناعي وأصبحت أدواتنا الحسابية أكثر تقدمًا”. “ولكن إذا لم تكن نماذجنا دقيقة بما فيه الكفاية وليس لدينا طريقة للتحقق من صحتها، فهي مجرد قمامة في القمامة. تساعدنا هذه التقنية على فهم سبب تصرف المادة بالطريقة التي تعمل بها والتحقق من صحة نماذجنا.”

تم دعم البحث جزئيًا من قبل مختبر أبحاث الجيش الأمريكي، ومكتب الولايات المتحدة للأبحاث البحرية، ووزارة الحرب الأمريكية، والزمالة الوطنية لخريجي العلوم. استفاد العمل أيضًا من مرافق MIT.nano.

المصدر :- Health & Medicine News — ScienceDaily

تفتح هذه النتائج آفاقًا جديدة لتصميم مواد ذات خصائص إلكترونية مخصصة، مما يعزز من فعالية تقنيات الطاقة المستقبلية.