سلسلة من ذرات النحاس والكربون قد تكون أدق الأسلاك ‏المعدنية النانوية

استخدم باحثون من مختبر النظرية ومحاكاة المواد في مدرسة لوزان الاتحادية للعلوم التطبيقية في لوزان (EPFL )، وهو جزء من المركز الوطني للكفاءة البحثية (NCCR MARVEL)، طرقا حسابية لتحديد ما يمكن أن يكون أدق سلك معدني نانوي لاستخدامات في أغراض عديدة.

وتعد المواد أحادية البعد واحدة من أكثر منتجات تكنولوجيا النانو إثارة للاهتمام، وهي مصنوعة من ذرات مصطفة على شكل أسلاك أو أنابيب. خصائصها الكهربائية والمغناطيسية والبصرية تجعلها مرشحة ممتازة لتطبيقات تتراوح من الإلكترونيات الدقيقة إلى أجهزة الاستشعار الحيوية إلى الحفز الكيميائي.

وفي حين أن أنابيب الكربون النانوية هي المواد التي حظيت بمعظم الاهتمام حتى الآن، فقد ثبت أنه من الصعب جدا تصنيعها والتحكم فيها، لذلك يتوق العلماء إلى العثور على مركبات أخرى يمكن استخدامها لإنشاء أسلاك نانوية وأنابيب نانوية ذات خصائص مثيرة للاهتمام بنفس القدر، ولكن أسهل في التعامل معها.

وفكر الباحثون كيارا سيناريلا  وديفيد كامبي  ونيكولا مارزاري، في استخدام المحاكاة الحاسوبية لتحليل البلورات ثلاثية الأبعاد المعروفة، بحثا عن تلك التي تبدو - بناء على خصائصها الهيكلية والإلكترونية - وكأنه يمكن "تقشيرها" بسهولة، للحصول بشكل أساسي منها على بنية نانوية أحادية البعد (بين 1 إلى 100 نانوميتر) مستقرة. وقد تم استخدام نفس الطريقة بنجاح في الماضي لدراسة المواد ثنائية الأبعاد، ولكن هذا هو أول تطبيق على نظيراتها أحادية البعد.

وبدأ الباحثون من مجموعة تضم أكثر من 780 ألف بلورة، مأخوذة من قواعد بيانات مختلفة موجودة في الأدبيات العلمية، وتم تجميعها معا بواسطة قوى فان دير فالس، وهو نوع من التفاعلات الضعيفة التي تحدث عندما تكون الذرات قريبة بدرجة كافية لتداخل إلكتروناتها. ثم قاموا بتطبيق خوارزمية تأخذ في الاعتبار التنظيم الفضائي لذراتهم بحثا عن تلك التي تحتوي على هياكل تشبه الأسلاك، وحسبوا مقدار الطاقة اللازمة لفصل هذا الهيكل أحادي الأبعاد عن بقية البلورة.

وتقول سيناريلا، وهي المؤلفة الأولى للدراسة: "كنا نبحث على وجه التحديد عن الأسلاك المعدنية، والتي من المفترض أن يكون من الصعب العثور عليها لأن المعادن أحادية البعد، من حيث المبدأ، لا ينبغي أن تكون مستقرة بما فيه الكفاية للسماح بالتقشير".

وفي النهاية، توصلوا إلى قائمة تضم 800 مادة أحادية الأبعاد، اختاروا منها أفضل 14 مادة مرشحة، وهي مركبات لم يتم تصنيعها كأسلاك فعلية بعد، لكن عمليات المحاكاة تشير إلى أنها ممكنة. ثم شرعوا في حساب خصائصها بمزيد من التفصيل، للتحقق من مدى استقرارها والسلوك الإلكتروني الذي ينبغي للمرء أن يتوقعه منها.

وبرزت أربع مواد معدنان ومادتان شبه معدنية باعتبارها الأكثر إثارة للاهتمام. ومن بينها السلك المعدني CuC2، وهو عبارة عن سلسلة مستقيمة مكونة من ذرتي كربون وذرة نحاس واحدة، وهو أدق أسلاك معدنية نانوية مستقرة عند درجة حرارة صفر مطلق تم العثور عليها حتى الآن.

تقول سيناريلا: "إنه أمر مثير للاهتمام حقا، لأنك لا تتوقع أن يكون سلكا فعليا من الذرات على طول خط واحد مستقرا في الطور المعدني". ووجد العلماء أنه يمكن تقشيره من ثلاث بلورات أصلية مختلفة، جميعها معروفة من خلال التجارب NaCuC2 و KCuC2  وRbCuC2  ويتطلب استخراجها القليل من الطاقة، ويمكن ثني سلسلتها مع الحفاظ على خصائصها المعدنية، مما يجعلها مثيرة للاهتمام للإلكترونيات المرنة.

تشمل المواد الأخرى المثيرة للاهتمام الموجودة في الدراسة، والتي نُشرت في مجلة  ACS Nano، شبه المعدن Sb2Te2، والذي قد يسمح، بسبب خصائصه، بدراسة حالة غريبة للمادة تم التنبؤ بها منذ 50 عاما ولكن لم يتم ملاحظتها مطلقا، تسمى العوازل الإكسيتونية، وهي واحدة من تلك الحالات النادرة التي تصبح فيها الظواهر الكمومية مرئية على المستوى العياني. ثم هناك Ag2Se2، وهو شبه معدن آخر، وTaSe3، وهو مركب معروف وهو الوحيد الذي تم تقشيره بالفعل في التجارب باعتباره أسلاكا نانوية، والذي استخدمه العلماء كمعيار.

أما بالنسبة للمستقبل، فتوضح سيناريلا أن المجموعة تريد التعاون مع علماء تجريبيين لتصنيع المواد فعليا، مع مواصلة الدراسات الحسابية لمعرفة كيفية نقل الشحنات الكهربائية وكيف تتصرف في درجات حرارة مختلفة. سيكون كلا الأمرين أساسيين لفهم كيفية أدائهما في تطبيقات العالم الحقيقي.