بعد عقود من الزمن، تمكن باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من التقاط أول منظر ذري ثلاثي الأبعاد لمادة غامضة

بدأ لغز طويل الأمد في علم المواد في الانهيار عندما قام الباحثون مباشرة بالتحقيق في التعقيد الذري الخفي للكهرباء الحديدية المخففة.

تم استخدام أجهزة الاسترخاء الكهروضوئية لعقود من الزمن في تقنيات مثل معدات الموجات فوق الصوتية والميكروفونات وأنظمة السونار. إن سلوكهم غير المعتاد متجذر في تركيبهم الذري، لكن الباحثين لم يتمكنوا منذ فترة طويلة من قياس هذا الهيكل بشكل مباشر.

فريق بحثي من مع وقد قامت مؤسسات أخرى الآن برسم خريطة للبنية الذرية ثلاثية الأبعاد لمخفف كهروضوئي لأول مرة. النتائج نشرت في علوميمكن أن يساعد في تحسين النماذج المستخدمة لتصميم تقنيات الحوسبة والطاقة والاستشعار المستقبلية.

يقول المؤلف المقابل جيمس ليبو، أستاذ كيوسيرا لعلوم 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 البنية الذرية المخفية

وفي الدراسة، استخدم الباحثون طريقة تصوير ناشئة لفحص كيفية توزيع الشحنات الكهربائية داخل 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، دكتوراه 25 ومينجلين 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.”

يشمل مؤلفو الورقة البحثية تشو، وشو، وليبو، جنبًا إلى جنب مع كولين جيلجينباك 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

تشير عمليات المحاكاة الحالية إلى أنه عند تطبيق مجال كهربائي على أجهزة الاسترخاء الكهروضوئية، تتفاعل الذرات المشحونة إيجابيًا وسلبيًا داخل مناطق صغيرة من المادة. يُعتقد أن هذه التفاعلات تساهم في تخزين الطاقة القوي للمواد وقدرات الاستشعار. ولكن حتى الآن، لا يمكن قياس بنية تلك المناطق بشكل مباشر.

لهم علوم ورقة، قام الفريق بفحص تيتانات الرصاص من نيوبات المغنيسيوم سبيكة، وهو مرخي كهروضوئي يستخدم في أجهزة الاستشعار والمحركات وأنظمة الدفاع. لقد درسوها باستخدام التيكوغرافيا الإلكترونية متعددة الشرائح (MEP)، وهي تقنية ناشئة تقوم بمسح أ مقياس النانو مسبار الإلكترونات عالية الطاقة عبر المادة ويسجل أنماط حيود الإلكترون 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.”

رؤى عبر المقاييس

كشفت الطريقة عن طبقات كيميائية وقطبية تمتد من المقياس الذري إلى المقياس المجهري. كما أظهر أيضًا أن العديد من المناطق ذات الاستقطاب المختلف كانت أصغر بكثير مما توقعته عمليات المحاكاة الرائدة.

استخدم الفريق تلك القياسات لتحديث عمليات المحاكاة الحاسوبية، مما يجعل النماذج تتوافق بشكل أفضل مع سلوك المادة في ظل ظروف مختلفة.

يقول شو: “في السابق، كانت هذه النماذج تحتوي بشكل أساسي على مناطق استقطاب عشوائية، لكنها لم تخبرك بكيفية ارتباط تلك المناطق ببعضها البعض”. “الآن يمكننا أن نخبرك بهذه المعلومات، ويمكننا أن نرى مدى تأثير المادة الكيميائية الفردية صِنف تعديل الاستقطاب اعتمادًا على حالة شحن الذرات.”

نحو تصميم أفضل للمواد

يقول تشو إن الدراسة تسلط الضوء على التيكوغرافيا الإلكترونية كأداة قوية لفحص المواد المعقدة ويمكن أن تفتح مسارات جديدة لدراسة الأنظمة المضطربة.

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.”

ويقول الباحثون إن هذا النهج قد يساعد العلماء في النهاية على تصميم مواد ذات خصائص إلكترونية متقدمة لتحسين تخزين الذاكرة والاستشعار وتقنيات الطاقة.

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

المرجع: “تجربة التجسير ونظرية المواد الكهروضوئية المرخية باستخدام التيكوغرافيا الإلكترونية متعددة الشرائح” بقلم منجلين تشو، ومايكل شو، ويوبو تشي، وكولين جيلجينباخ، وجيون كيم، وجياهاو تشانغ، وبريدجيت آر. دينزر، ولين دبليو مارتن، وأندرو إم. راب، وجيمس إم. ليبو، 30 أبريل 2026، علوم.
دوى: 10.1126/science.ads6023

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

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.