باحثون ألمان يستخدمون تقنية الليزر لتحويل البلاستيك إلى ألماس نانوي ويحققون نجاحًا في التقاطه

استخدم باحثون ألمان ليزرًا قويًا لتحويل البلاستيك العادي إلى ألماس صغير، وتمكنوا من التقاط بلورات كاملة. أظهر الفريق من مركز هيدرو (HZDR) وجامعة روستوك أن هذه الألماس النانوي يمكن أن تعيش تحت ظروف ضغط وحرارة شديدة، وتعود بأمان إلى بيئة عادية. كل جزيء مسترجع يبلغ متوسطه 3 نانومتر، أي ثلاثة مليارات من المتر، ويحتوي تقريبًا على 3,000 ذرة كربون. هذه الطريقة بالليزر قادرة على إنتاج منتجات عالية النقاء وصغيرة الحجم وحجم الجزيئات متطابقة بشكل وثيق، وهو ما لا يمكن تحقيقه بواسطة طرق الإنتاج التقليدية (بما في ذلك الانفجارات).

محاكاة ظروف البيئة القاسية

بدأ هذا العمل بمحاكاة الظروف الداخلية لكوكبي نبتون وأورانوس، حيث يمكن أن تصل درجات الحرارة إلى آلاف الدرجات المئوية، والضغط هو ملايين الأضعاف من ضغط الغلاف الجوي للأرض. أدى تسليط الليزر على البلاستيك إلى خلق ظروف لتكوين الكربون إلى ألماس، على الرغم من أن الفريق كان قادرًا على اكتشاف هذه البلورات لفترة قصيرة فقط في البداية. قال Dominik Kraus من معهد الفيزياء عالية الكثافة في HZDR إن الفريق توقع أن يتشكل الألماس النانوي، لكن سرعة تشكيله كانت مفاجئة لهم.

استرجع الفريق هذه الألماس في منشأة الضوء القاسية (ELI) الواقعة جنوب براغ، وهي منشأة ليزر تجمع بين طاقة نبض عالية جدًا وتكرار مرتفع. في موقع L4n-P3، يطلق الليزر ثلاث مرات في الدقيقة، مستهدفًا فيلم بلاستيكي PET بسمك 0.004 إنش (100 ميكرون). كل نبضة تمر عبر الفيلم ترسل موجة صدمية، تضغط البلاستيك، وتكون الألماس النانوي، وتدفعها إلى أسطوانة الجمع. في التجربة الاسترجاعية، تم ضغط البلاستيك تحت ضغط حوالي 100 جيجا باسكال، أي ما يعادل 14.5 مليون رطل لكل بوصة مربعة.

عندما تدخل موجة الضغط من العينة إلى الفراغ، فإنها تجعل الألماس تتحرك بسرعة تتجاوز 22,000 ميل في الساعة (10 كيلومترات في الثانية)، وهو ما يعادل اصطدام نيزك. يتطلب التقاطها بسلام وسطًا ناعمًا جدًا، لذا استخدم الفريق هلامًا أيونيًا قابلًا للذوبان في الماء فعالًا في الفراغ. كل ضربة ليزر تنتج حوالي 10 تريليون ألماس، لكن جمع مئات الميكروغرام من العينات يتطلب حوالي 100 ضربة. هذا يكفي لاستخدام مجهر ELMI-MV في جامعة روستوك لتحليل الجزيئات، والذي يمكنه تحليل ذرة واحدة.

قال Ben Heuser، المؤلف الرئيسي من HZDR، إن رؤية الألماس النقي في تلك اللحظة كانت "لحظة خاصة بعد سنوات من العمل".

آفاق تطبيق الألماس النانوي

الألماس النانوي صلب ومستقر ومقاوم للحرارة، وقد تم استخدامه بالفعل في مواد الطحن والتلميع. الجزيئات الأصغر والأكثر نقاءً والمتساوية الحجم قد توسع من تطبيقاتها في مجالات الطب والمواد والطاقة، بما في ذلك أجهزة الاستشعار الكمية وعوامل التباين في التصوير. توفر الألماس الأصغر مساحة سطح إجمالية أكبر بنفس كمية المواد، مما قد يزيد من كفاءتها التحفيزية في عمليات مثل تفكيك ثاني أكسيد الكربون باستخدام ضوء الشمس. بدءًا من البلاستيك يجعل من الأسهل أيضًا إضافة عناصر أخرى إلى الألماس، مما يتيح تخصيصها لمهام مثل تحسين عوامل التباين في التصوير بالرنين المغناطيسي.

الهدف التالي هو كربون BC8. يمكن لأشعة الليزر ذات الكفاءة العالية من أبحاث الاندماج النووي أن تطلق نبضات قوية بشكل متكرر، مما يجعل هذه العملية قابلة للتوسع. يهدف الباحثون إلى الوصول إلى نطاق المليغرام، وهو ما يعادل الإنتاج التقليدي. كما يأمل الفريق في استخدام ضغط الليزر لإنتاج BC8، وهو شكل من أشكال الكربون تم التنبؤ به نظريًا فقط حتى الآن. من المتوقع أن تكون كثافته أعلى من الألماس، وأن تكون بنفس الصلابة وأقل عرضة للكسر. الظروف اللازمة لتشكيل BC8 غير موجودة على الأرض، لذا يخطط الباحثون لإجراء التجارب الأولى تحت ضغط أعلى في نوفمبر.