نوبل للكيمياء 2023.. كيف يمكن أن نضع العالم كله على رأس دبوس؟
تاريخ النشر: 5th, October 2023 GMT
في عام 1959، ألقى الفيزيائي الأميركي ريتشارد فاينمان محاضرة مؤثرة في اجتماع الجمعية الفيزيائية الأميركية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا تحت عنوان "هناك مساحة كبيرة في القاع"، قدم فاينمان أفكارا حول معالجة التركيب الذري للمواد بوصفه وسيلة لخلق مجال جديد للكيمياء الاصطناعية، يمكن فيه إنشاء آلات صغيرة جدا بحيث يمكن أن نضع كميات كبيرة منها على رأس دبوس.
في تلك الفترة، ظن البعض أن فاينمان يُلقي بتخمينات بعيدة جدا عن أرض الواقع، لكن صدِّق أو لا تُصدِّق فهذه التخمينات أصبحت حقيقة في عالم النانو، وهي الآن السبب في حصول ثلاثة من العلماء المقيمين في الولايات المتحدة، منجي الباوندي وأليكسي إكيموف ولويس بروس، على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2023، عن ابتكارهم وتطويرهم لتقنية فريدة سُميت بالنقاط الكمومية.
كرة هايزنبرغ العجيبة
ولفهم مدى العجب في هذا الكشف، دعنا نسافر بالزمن نحو مئة سنة حينما صاغ فيرنر هايزنبرغ مبدأ عدم اليقين الذي ينص على أنه لا يمكن تحديد خاصيتين مُقاستين من خصائص نظام كمومي -نسبة إلى الكم- معا، إلا ضمن حدود معينة من الدقة. وأشهر الأمثلة هنا هو استحالة حساب موضع وسرعة الإلكترون معا في الوقت نفسه، بل يمكن تحديد أحدهما بدرجة تقترب من اليقين، والآخر بدرجة تبتعد عنه.
هذا بالطبع كلام معقد، لكن لتقريب الأمر دعنا نتأمل حياتنا اليومية، في أي لحظة تقود سيارتك يمكنك أن تخبرنا بسرعتك وموضعك، فتقول: "أنا الآن في هذه النقطة بين قرية كذا وقرية كذا، وأسير بسرعة 80 كم بالساعة"، غوغل نفسه يفعل ذلك في تطبيق الخرائط، فيخبر الواحد منا بموضعه وسرعته الآن.
لكن رغم ما يبدو من بديهة في هذا فإن الكون يأبى على الجسيمات دون الذرية أن تمتلك موضعا وسرعة محددين بدقة مثلما فعلت أنت بسيارتك قبل قليل، ولو افترضنا أننا كبّرنا حجم الإلكترون ليصبح بحجم كرة بلياردو (وما زالت القوانين الكمومية نفسها تجري عليه) ثم وضعناه في صندوق مغلق، فإنه سيتحرك داخل الصندوق بشكل محموم متخبطا في جدرانه الأربعة، وربما كسرها، لأنك بوضعه في الصندوق تحاول تحديد موضعه ولو بشكل تقريبي.
يشبه الإلكترون هنا شخصا مصابا برهاب الغرف المغلقة، حينما تغلق الغرفة يتوتر ولا يقف على حال أبدا. وبالنسبة للإلكترون، فإنه لا يوجد شيء يدفعه لذلك، إنها فقط قوانين الكون التي تنص عليه -أو قُل تجبره- ألا يمتلك موضعا محددا وسرعة محددة في آنٍ واحد، ولا يسمح فقط إلا بدرجات احتمالية تتقيد بـ"مبدأ عدم اليقين"، وكلما كانت الغرفة أضيق كان الإلكترون مرتابا ومتوترا أكثر، وبالتبعية ارتفعت ضرباته لجدران الحجرة.
عالم النانو الصغير جداكانت هذه هي الفكرة التي انطلق منها الحاصلون على نوبل للكيمياء هذا العام، ببساطة لأنك حينما تقوم بحصر الإلكترون في حجرات مختلفة المساحة، فإنه يتصرف بأشكال مختلفة، بمعنى أكثر قربا للفيزياء: فإنه كلما وضعت الإلكترون في مساحة أضيق فإن الدالة الموجية الخاصة به تنضغط لتصبح طاقتها أكبر، وبالتبعية فإن ما يصدر عنها من ضوء يتغير، فيميل أكثر ناحية الضوء الأزرق في حالة الغرف ذات المساحات الأصغر، والعكس تماما في حالة المساحات الأوسع، حيث يميل الضوء الخارج ناحية اللون الأحمر، يحدث ذلك لأن التغير في أطوال أمواج وتردد الضوء يغير من لونه، ونحن نعرف أن الضوء الأبيض ما هو إلا مزيج من عدة ألوان.
المقياس النانوي. (الصورة: الجزيرة)لكن تلك الغرف التي نقصدها في حديثنا ليست بحجم غرفنا المعتادة ولا حتى بحجم أقفاص العصافير في الشرفة، نتحدث هنا عن حجز الإلكترونات في غرف بحجم النانو، ويساوي النانومتر الواحد 1 على مليار من المتر!
ولإعطاء فكرة عن المقياس النانوي، أمسك الآن بورقة واحدة، مجرد ورقة بيضاء كنت تجهزها لتستذكر دروسك أو ربما لكتابة ميزانية الشهر، يبلغ سُمك هذه الورقة نحو 75 ألف نانومتر، هل تتخيل ذلك؟ إذا افترضنا أن هناك شخصا ما بطول نانومتر واحد فإن الورقة البيضاء تلك ستكون -بالمقارنة- مبنى كبيرا كفاية ليتخطى ارتفاعه غلافنا الجوي، لأنه سيحتوي على قرابة عشرين إلى ثلاثين ألف دور! ولو كانت كل الكرة الأرضية التي نعيش عليها بعرض متر واحد فقط، لكان النانومتر الواحد بحجم "بلية" زجاجية صغيرة.
إكيموف وبروس والكرات الصغيرة السحرية
في تلك النقطة يظهر أليكسي إكيموف، أول الحاصلين على نوبل هذا العام، الذي اعتقد أن مادة واحدة يمكن أن تنتج زجاجا بألوان مختلفة، وكان افتراضا غريبا جدا وقتها، فمن المعروف أن لكل مادة لونا، ولإنتاج اللون الأحمر سنحضر المادة التي تنتج اللون الأحمر، وإذا أردنا إنتاج اللون الأصفر فسنحتاج إلى صبغة اللون الأصفر، لكن الحديث عن مادة واحدة تعطي ألوانا مختلفة أشبه ما يكون بالحديث عن السحر الأسود مثلا!
خلال السبعينيات من القرن الفائت، قرر إكيموف إنتاج الزجاج الملون بكلوريد النحاس، عبر تسخين الزجاج إلى نطاق 500-700 درجة مئوية، وبمجرد أن يبرد الزجاج ويتصلب تتكون داخله بلورات صغيرة من كلوريد النحاس تشكلت بحجم نحو 2 نانومتر فقط، وفي عينات أخرى وصل حجم البلورات إلى 30 نانومترا، قام إكيموف بتمرير الأشعة السينية عبر الزجاج ولاحظ أن الضوء الصادر من تلك البلورات الصغيرة جدا كان متنوعا بناء على تنوع أحجامها، كانت هذه هي أولى النقاط الكمومية، وهي عبارة عن بلورات تتكون غالبا من بضعة آلاف من الذرات فقط.
النقاط الكمومية – البلورات الأصغر تطلق ضوءا أزرق بينما تطلق البلورات الأكبر ضوءا أحمر. (الصورة: الجزيرة)في تجارب إكيموف كلما كانت بلورات كلوريد النحاس أصغر، كان الضوء الذي امتصته أكثر زُرقة، وكلما كانت أكبر، كان الضوء أكثر حُمرة. كانت هذه هي المرة الأولى التي ينجح فيها شخص ما في إنتاج النقاط الكمومية عمدا، وفي عام 1981 نشر إكيموف اكتشافه في مجلة علمية سوفيتية.
أما لويس بروس، العالم الثاني الذي حصل على نوبل هذا العام، فقد توصل إلى الكشف نفسه بشكل منفصل تماما عام 1983، حينما كان يعمل في مختبرات بيل في الولايات المتحدة الأميركية على مادة كبريتيد الكادميوم، التي أنتج منها بلورات يبلغ قطرها نحو 4.5 نانومترات فقط، واختلفت خصائصها البصرية كذلك عن البلورات الأكبر بقطر 12.5 نانومترا.
الباوندي يفتح الباب لعالم جديد العالم ذو الأصول التونسية "منجي الباوندي". (الصورة: رويترز)
بعد ذلك، تبين للعالمين أن الأمر يتخطى حاجز الألوان تماما، فكلٌّ من تلك البلورات كانت له خصائص ضوئية وفيزيائية وكيميائية فريدة، وكان ذلك غريبا! تصور أن مادتين تتكونان من المركب نفسه ومن الذرات نفسها ولكنهما تختلفان في صفات مثل التوصيلية الكهربية ودرجة الغليان والخواص المغناطيسية والخواص الضوئية، بل وقدرة كلٍّ منهما على تحفيز التفاعل الكيميائي. وكأن مستوى النانو قد أضاف إلى المادة بُعدا جديدا تماما، بحيث يصبح الحجم -إلى جانب التركيب الكيميائي- مهما جدا.
خلال الثمانينيات من القرن الفائت كان هناك مشكلة واحدة فقط، وهي أن الأساليب التي استخدمها إكيموف وبروس تعطي بلورات ضعيفة الجودة وبأحجام مختلفة، لم يكن من الممكن التحكم في حجمها بحيث يكون الإنتاج حسب الطلب، وهنا تحديدا يظهر مُنجي الباوندي.
وُلد الباوندي في باريس، وهو ابن عالم الرياضيات محمد صلاح الباوندي، الذي تنقل بين فرنسا وتونس بينما كان مُنجي طفلا، ثم انتقل للعيش في الولايات المتحدة الأميركية، وهناك عمل أستاذا للرياضيات في جامعة كاليفورنيا، ويبدو أن مُنجي الصغير عشق العلوم مثل أبيه ليكبر اليوم ويصبح أستاذا بمعهد ماساتشوستس للتقنية، ويُعد واحدا من بين الكيميائيين الأكثر اقتباسا في العقد الماضي، وقد حصل على جائزة "كلاريفيت" الخاصة باقتباسات أبحاث العلماء في عام 2020.
عندما بدأ الباوندي العمل في مختبر يحمل اسمه بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، تمكَّن في عام 1993 من حقن سيلينيد الكادميوم، الذي يُشكِّل البلورات النانوية، في مذيب ساخن اختير بعناية، مما أدى إلى ظهور بلورات صغيرة بعد البرودة، ولكن مع تسخين المحلول نجح الباوندي وفريقه البحثي في رفع حجم البلورات بالتدريج، إلى أي حجم نريده، تسمى تلك الطريقة بـ"الحقن السريع"، وهي الآن الطريقة الأكثر استخداما في كيمياء النقاط الكمومية، بلورات الباوندي النانوية كانت مثالية تقريبا، وكانت هذه الجودة العالية ضرورية لاستخدامها في التطبيقات العملية.
تطبيقات متنوعة يمكن استخدام النقاط الكمومية لتتبع العمليات الخلوية ودراسة تفاعلات وحركة والتفاف البروتين، والكشف عن الأمراض مثل السرطان. (الصورة: شترستوك)
ولا بد أنك على معرفة ببعض تطبيقات النقاط الكمية، هل سمعت من قبل عن تقنية "كيو ليد" (QLED) في شاشات العرض التلفزيوني أو الحاسوب؟ حرف "Q" في هذه التقنية نسبة إلى "النقاط الكمومية" (Quantum Dot Light Emitting Diode)، التقنية التي استُخدمت لتعزيز دقة الألوان والسطوع وكفاءة استخدام الشاشات حول العالم للطاقة مقارنة بالشاشات المعتادة من نوعية "إل سي دي" (LCD).
تُستخدم النقاط الكمومية كذلك مجسات فلورية ملونة في عمليات التصوير البيولوجي والتشخيص، حيث تسمح خصائصها البصرية الفريدة بالتصوير عالي الدقة للخلايا والأنسجة وحتى الجزيئات الفردية، ويمكن استخدامها لتتبع العمليات الخلوية ودراسة تفاعلات وحركة والتفاف البروتين، والكشف عن الأمراض مثل السرطان.
وتُستخدم النقاط الكمومية كذلك في الخلايا الشمسية لتعزيز كفاءتها من خلال التقاط نطاق أوسع من الأطوال الموجية الضوئية، وبالطبع تُستخدم في الإضاءة لإنتاج ألوان أكثر طبيعية وحيوية مقارنة بالمصابيح التقليدية.
وإلى جانب ذلك يمكن استخدام النقاط الكمومية بوصفها أجهزة استشعار حساسة للكشف عن المواد المختلفة في الهواء، مثل المعادن الثقيلة والغازات والتغيرات في درجات الحرارة والجزيئات البيولوجية، وتُعد النقاط الكمومية مرشحا واعدا لبناء الكيوبتات (وهي البتات الكمومية) في أنظمة الحوسبة الكمومية نظرا لقدرتها على حصر الإلكترونات على المستوى النانوي. كل هذا ولم نتحدث عن إمكانات النقاط الكمومية الواعدة في عمليات تخزين الطاقة، تحديدا تقنيات مثل البطاريات والمكثفات الفائقة.
في النهاية، فإن هذا الابتكار قد فتح الباب لرؤية مختلفة للعالم، حيث دائما ما افترضنا أن المادة ليست إلا ما يكوّنها من ذرات، وأن خصائصها لا تتغير إلا في نطاق محدود مهما عبثت بتركيبها، لكننا الآن أمام جوقة ضخمة من الخصائص للمادة نفسها التي تختلف باختلاف شيء واحد فقط، وهو حجم هذه المادة وليس تركيبها، هذا غريب حقا ويفتح الباب لتأمل حجمنا نحن البشر في هذا الكون، فنحن نقف في عالم متوسط بين عالمين، الأول يحتوي على المجرات هائلة الضخامة بحيث يبدو نظامنا الشمسي كاملا بالنسبة لها أقل في الحجم من حبة رمل، والثاني صغير جدا جدا بحجم النانو، لا يمكن أن نراه أو ندرك وجوده أصلا إلا عبر ميكروسكوبات فائقة القوة.
————————————————————–
مصدر1- The Nobel Prize in Chemistry 2023
المصدر: الجزيرة
كلمات دلالية: النقاط الکمومیة کانت هذه یمکن أن فی عام
إقرأ أيضاً:
الخارجية: سورية تطالب جميع دول العالم بالقيام بواجبها الإنساني واتخاذها موقفاً حازماً لإيقاف المجازر المتسلسلة التي يرتكبها كيان الاحتلال في المنطقة ومحاسبة قادته على جرائمهم وعدوانهم وضمان عدم إفلاتهم من العقاب
2024-11-20naghamسابق الخارجية : ارتهان مجلس الأمن لقرار دولة واحدة يفقد هذا المجلس مصداقيته في حفظ السلم والأمن الدوليين انظر ايضاًالخارجية : ارتهان مجلس الأمن لقرار دولة واحدة يفقد هذا المجلس مصداقيته في حفظ السلم والأمن الدوليين
آخر الأخبار 2024-11-20جلسات حوار لمناقشة تعديل القوانين الناظمة لعمل وزارة التجارة الداخلية بطرطوس ودرعا 2024-11-20استشهاد شاب فلسطيني برصاص قوات الاحتلال غرب جنين 2024-11-20ترميز السلع والمنتجات لتنظيم عمل الأسواق خلال اجتماع في وزارة التجارة الداخلية 2024-11-20فيتو أميركي يعرقل مشروع قرار في مجلس الأمن الدولي يطالب بوقف فوري لإطلاق النار في قطاع غزة 2024-11-20انطلاق الجلسات الحوارية في غرفة تجارة حماة لتعديل قانون حماية المستهلك 2024-11-20الشيخ قاسم: العدو لن يخرج إلا بالمقاومة وسنبقى في الميدان نقاتله مهما ارتفعت الكلفة 2024-11-20قانون اتحاد الصحفيين… ندوة حوارية في دار البعث 2024-11-20ارتقاء 36 شهيداً وجرح العشرات جراء عدوان إسرائيلي استهدف أبنية سكنية في تدمر 2024-11-20بمناسبة اليوم العالمي لمرضى السكري… فعالية توعوية طبية في طرطوس 2024-11-20محور الأورام في رابع أيام مؤتمر أيام صحة دمشق 2024 العلمية
مراسيم وقوانين مرسومان بتحديد الـ 21 من كانون الأول القادم موعداً لإجراء انتخابات تشريعية لمقعدين شاغرين في دائرة دمشق وآخر في دائرة مناطق حلب 2024-11-20 الرئيس الأسد يصدر ثلاثة قوانين تسهم في تطوير آليات العمل بالقطاع السياحي 2024-11-14 الرئيس الأسد يصدر مرسوماً بتنفيذ عقوبة العزل بحق قاضية في النياية العامة التمييزية 2024-11-02الأحداث على حقيقتها القوات الروسية تقيم 9 نقاط مراقبة بريفي القنيطرة ودرعا قرب “منطقة فصل القوات” 2024-11-18 الجيش يدمر 15 طائرة مسيرة للإرهابيين في أرياف حلب واللاذقية وإدلب 2024-11-18صور من سورية منوعات مركبة الشحن الفضائية الصينية “تيانتشو-8″تلتحم مع محطة الفضاء الصينية تيانقونغ 2024-11-16 انبعاثات الكربون العالمية تصل إلى مستوى قياسي خلال العام الجاري 2024-11-13فرص عمل الخارجية تعلن عن برنامج تدريب المقبولين للتقدم إلى المرحلة الثالثة من مسابقتها 2024-11-06 التعليم العالي تسمح للجامعات الخاصة فتح التسجيل المباشر لملء الشواغر في كلياتها 2024-11-04الصحافة استكمال المــهــمــة!!! بقلم: أ. د.بثينة شعبان 2024-11-18 المسافة صفر.. مخرز في خاصرة الاحتلال – بقلم : جمال ظريفة 2024-11-16حدث في مثل هذا اليوم 2024-11-2020 تشرين الثاني- اليوم العالمي للطفل 2024-11-1919 تشرين الثاني 1954 – بدء بث «تلفزيون مونتي كارلو» وهي أقدم قناة تلفزيونية خاصة في أوروبا 2024-11-1717 تشرين الثاني 1969 -مفاوضات بين الاتحاد السوفييتي والولايات المتحدة للحد من عدد الأسلحة الإستراتيجية على كلا الجانبين 2024-11-1616 تشرين الثاني 1970- قيام الحركة التصحيحية بقيادة القائد المؤسس حافظ الأسد 2024-11-1515 تشرين الثاني 1920-عقد أول اجتماع لعصبة الأمم في جنيف 2024-11-1414 تشرين الأول 1908- عالم الفيزياء ألبرت أينشتاين يعلن عن نظرية كمية الضوء
مواقع صديقة | أسعار العملات | رسائل سانا | هيئة التحرير | اتصل بنا | للإعلان على موقعنا |