الكشف عن الخصائص المخفية للجاليوم

بعد مرور ما يقرب من قرن ونصف من اكتشافه، فاجأ الغاليوم، وهو عنصر يبدو مألوفًا، العلماء بالكشف عن طبيعته الأساسية. كشف الباحثون في جامعة أوكلاند عن جوانب غير معروفة سابقًا لسلوك هذا المعدن، خاصة على المستوى الذري.

الغاليوم والمعادن السائلة

اكتشفه الكيميائي الفرنسي بول إميل ليكوك دي بويسبودران في عام 1875، ويشتهر الغاليوم بنقطة انصهاره المنخفضة بشكل ملحوظ، وهي خاصية استحوذت على الخيال من خلال العرض الشهير “تذويب الملعقة في الشاي”.

تمثل المعادن السائلة (LMs) فئة رائعة من المواد التي تطمس الخط الفاصل بين السائل والمعدني. وعلى عكس نظيراتها التقليدية، تتميز الكائنات الحية الدقيقة بنقاط انصهار منخفضة بشكل استثنائي، مما يسمح لها بالوجود كسوائل في درجة حرارة الغرفة أو بالقرب منها. تفتح هذه الخاصية الفريدة العديد من التطبيقات المحتملة التي تُحدث ثورة في مختلف المجالات العلمية والتكنولوجية.

مع نقطة انصهار تبلغ 29.76 درجة مئوية فقط، يسيل الغاليوم في راحة يدك. هذه الخاصية، إلى جانب سميتها المنخفضة وضغط بخارها القريب من الصفر، تجعل الغاليوم مادة آمنة ومتعددة الاستخدامات للبحث والتطوير. يُستخدم الغاليوم في إلكترونيات الجيل التالي، حيث يعد تبديد الحرارة بكفاءة وتدفق التيار أمرًا بالغ الأهمية.

يؤكد هذا الاكتشاف على الأهمية الحاسمة لإعادة النظر في الأدبيات العلمية السابقة وتحليلها بشكل نقدي. وكما هو موضح في هذا البحث، فإن الثقة العمياء بالنظريات الراسخة دون التحقق التجريبي من صحتها يمكن أن تؤدي إلى عدم الدقة. أثناء التحقيق في النظرية وراء الاستقطاب في نيتريد الغاليوم، وجد فريق البحث عدم تطابق كبير بين التنبؤات النظرية والنتائج التجريبية. وقد دفعهم هذا إلى تطوير نظرية جديدة لسد الفجوة وتحديث الفهم التقليدي.

في مقابلة مع Power Electronics News، أشار دانهاو وانغ، زميل باحث في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة ميشيغان والمؤلف المشارك للدراسة، إلى أنه “لممارسة العلوم بشكل جيد، من المهم أن نفكر بعناية في كيفية عمل هذا المجال التوصل إلى نظريات معينة واختبارها بالتجارب عند الحاجة. وهذا يسلط الضوء على ضرورة التدقيق المستمر والاختبار التجريبي للنظريات القديمة لتطوير المعرفة العلمية بدقة.

تحقيق الدراسة

وقد عززت الخصائص الجوهرية للجاليوم، إلى جانب دوره الحاسم في أشباه الموصلات، مكانة الغاليوم كعنصر قيم في التكنولوجيا الحديثة.

ومع ذلك، فإن النتائج الأخيرة تتعمق أكثر، وتكشف عن تطور في قصة التركيب الذري للجاليوم. على عكس معظم المعادن، يُظهر الغاليوم تفضيلًا فريدًا لتشكيل أزواج من الذرات، تُعرف باسم الثنائيات. هذه الخاصية، إلى جانب وجود الروابط التساهمية – وهو نوع من الروابط حيث تتشارك الذرات الإلكترونات، وهو أمر غير شائع في المعادن – تتحدى الفهم التقليدي لسلوكها.

إن البحث الرائد، الذي نُشر في مجلة Materials Horizons تحت عنوان “حل عقود من الجدل: الدور المفاجئ للتساهمية في درجات الحرارة العالية في بنية الغاليوم السائل”، يلقي الضوء على الافتراضات القائمة منذ فترة طويلة. ويكشف أنه بينما تختفي الروابط التساهمية للجاليوم عند نقطة الانصهار، تحدث ظاهرة مفاجئة عند درجات حرارة أعلى: فهي تظهر مرة أخرى.

ويبين الشكل 1 النتائج الرئيسية للدراسة. في حين تختفي الروابط التساهمية للجاليوم بالقرب من نقطة الانصهار (حوالي 300 كلفن)، فإنها تظهر مرة أخرى عند درجات حرارة أعلى (1000 كلفن وما فوق).

يستلزم هذا التطور غير المتوقع نقلة نوعية في كيفية تفسير نقطة انصهار الغاليوم المنخفضة. ويقترح الباحثون أن المفتاح قد يكمن في مفهوم يعرف باسم الإنتروبيا، وهو مقياس للفوضى داخل النظام. يقترحون أنه عندما تنكسر الروابط التساهمية عند نقطة الانصهار، هناك زيادة كبيرة في الإنتروبيا، مما يؤدي إلى تحرير الذرات بشكل أساسي والمساهمة في الحالة السائلة.

يقول نيكولا جاستون، أحد الباحثين والأستاذ في جامعة وايبابا تاوماتا راو بجامعة أوكلاند ومعهد ماكديرميد للمواد المتقدمة: “على مدى 30 عامًا، كان الافتراض الأساسي متأصلًا في الأدبيات المتعلقة ببنية الغاليوم السائل”. تكنولوجيا النانو. “يظهر بحثنا أن هذا الافتراض غير صحيح.”

يدين هذا الإنجاز بالامتنان للعمل الدقيق الذي قام به ستيف لامبي، الذي كان آنذاك حاصلاً على درجة الدكتوراه. طالب في الجامعة ومعهد ماكديرميد. من خلال إعادة النظر بدقة في الأدبيات العلمية من العقود السابقة والتحليل الدقيق لبيانات درجة الحرارة، قام لامبي، جنبًا إلى جنب مع جاستون وكريستا ستينبرجن من جامعة فيكتوريا في ويلينجتون ومعهد ماكديرميد، بتجميع الصورة الكاملة بشق الأنفس.

التطبيقات المحتملة والخطوات التالية

إن فهم تعقيدات سلوك الغاليوم، وخاصة كيفية تغيره مع درجة الحرارة، يحمل أهمية كبيرة لتكنولوجيا النانو. ومن خلال معالجة المادة على المستويين الذري والجزيئي، يستطيع العلماء إنشاء مواد جديدة ذات خصائص ثورية. يلعب الغاليوم دورًا حاسمًا في هذا المسعى.

“توفر هذه الدراسة رؤى واتجاهات جديدة لتصميم وإعادة تصميم مجموعة واسعة من الأجهزة ذات فجوة النطاق الواسعة، بدءًا من الترانزستورات عالية الحركة للإلكترونات إلى مصابيح LED. [light-emitting diodes] وقال زيتيان مي، الأستاذ في جامعة ميشيغان: “إن الاستقطاب يؤثر بشكل أساسي على أداء جميع الأجهزة المعتمدة على GaN تقريبًا”.

يكمن أحد التطبيقات الرئيسية في قدرته على إذابة المعادن الأخرى. تسهل هذه الخاصية إنشاء محفزات LM، والتي تُستخدم في تفاعلات كيميائية مختلفة، و”هياكل التجميع الذاتي”، حيث تنظم المواد المضطربة في البداية نفسها تلقائيًا في هياكل محددة. استخدم مشروع سابق يضم غاستون ولامبي وستينبيرجين هذا المبدأ لإنشاء “رقاقات ثلج الزنك” المعقدة عن طريق بلورة الزنك داخل الغاليوم السائل.

ومن المثير للاهتمام أن قصة الغاليوم تمتد إلى ما هو أبعد من عالم التطبيقات الأرضية. تاريخ العنصر يسبق اكتشافه الفعلي. في عام 1871، تنبأ ديمتري مندلييف، الكيميائي صاحب البصيرة الذي أنشأ أول جدول دوري، بوجود الغاليوم بناءً على موقعه المتوقع داخل الجدول، تاركًا فجوة لهذا العنصر المفقود بناءً على خصائص العناصر المحيطة. لاحقًا، عندما تم اكتشاف الغاليوم أخيرًا، أكدت خصائصه تنبؤات مندليف بدقة ملحوظة.

يتم استخراج الغاليوم من معادن مثل البوكسيت، ولا يتوفر بسهولة في شكله النقي في الطبيعة. وإلى جانب دوره في أشباه الموصلات، يجد هذا العنصر متعدد الاستخدامات تطبيقات في الاتصالات السلكية واللاسلكية، ومصابيح LED وثنائيات الليزر، والألواح الشمسية، والحوسبة عالية الأداء، وصناعات الطيران والدفاع، وحتى كبديل أكثر أمانًا للزئبق في موازين الحرارة.

تمتد إمكانات الغاليوم إلى أبعد من ذلك. إن العلماء الذين يبحثون عن علامات الحياة الميكروبية الماضية على المريخ مفتونون بإمكانية عمل الغاليوم بمثابة “بصمة” كيميائية، مما قد يحافظ على آثار باهتة للحياة القديمة. يقوم الباحثون في كلية البيئة بجامعة أوكلاند ومركز تي آو ماراما للاستقصاء الأساسي بالتحقيق في هذا الطريق المثير.

يعد اسم “الجاليوم” في حد ذاته بمثابة علامة تاريخية، تكريمًا لبلاد الغال، الاسم القديم لفرنسا، والذي يعكس جنسية مكتشفها. يقدم هذا العنصر المتواضع، بتعقيداته التي تم الكشف عنها حديثًا، لمحة عن عالم العلوم الرائع، حيث يمكن حتى لما يبدو مألوفًا أن يحمل مفاجآت. بينما نتعمق أكثر في عالم الغاليوم، تستمر احتمالات الاكتشافات الرائدة والتطبيقات المبتكرة في الظهور.

التدوينة الكشف عن الخصائص المخفية للجاليوم ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.