اكتشف فريق بقيادة معهد بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو مواد تخالف القواعد التقليدية للفيزياء الحرارية والميكانيكية، إذ تتقلص عند تسخينها وتتمدد تحت الضغط، في ما يشير إلى بنية داخلية غير تقليدية، الأمر الذي يمثل تقدمًا كبيرًا في العلوم الأساسية.
وبحسب الدراسة المنشورة في دورية نيتشر، فقد استخدم الباحثون أجهزة تحكم دقيقة في درجات الحرارة والضغط مثل “الخلايا الماسية”، مع تقنيات تصوير دقيقة لملاحظة التغيرات الطورية والحرارية معًا لهذه المادة.
وقد وجد الفريق أن الأنوية البلورية الداخلية تتفاعل بطريقة تجعل الذرات تتحرك وتعيد ترتيبها عند التغير في درجة الحرارة أو الضغط، مؤدية إلى هذا السلوك غير المتوقع.
مواد “شبه” مستقرة
وتنضم هذه المادة المكتشفة حديثا إلى فئة المواد شبه المستقرة، وهي مواد توجد في حالة مؤقتة من التوازن، أي إنها ليست في أقل حالة طاقة ممكنة (الحالة المستقرة)، لكنها تبقى في هذه الحالة مدة طويلة من دون أن تتغير من تلقاء نفسها، ويمكن أن تعود إلى حالتها المستقرة فقط إذا تم تحفيزها بعامل خارجي (مثل الحرارة أو الضغط أو الإشعاع).
ويعد الألماس مثالا على هذه المواد، فهو شكل من الكربون غير مستقر، بينما الشكل المستقر للكربون هو الغرافيت، ولكن الألماس قد يبقى آلاف السنين من دون أن يتحول تلقائيا إلى شكله المستقر، ويحتاج إلى درجات حرارة وضغوط عالية ليتحول.
ولفهم حالة عدم الاستقرار، تخيّل كرة على تل منحدر، الكرة غير مستقرة في أعلى التل ومتأهبة للسقوط فورا، وما إن تتركها بيديك حتى تتدحرج إلى أسفل كي تستقر وتقف.
حالة “شبه الاستقرار” تقع بين الحالتين (أعلى التل وأسفل التل)، فهي في هذه الحالة تمثل كرة قرب قمة التل، لكنها مختبئة في تجويف.
تمدد سلبي
أما المادة الجديدة، فإنها تمتلك سمة خاصة جدا من هذه المواد وهي التمدد الحراري السلبي.
التمدد الحراري هو ظاهرة معروفة، فعند تسخين المواد تتمدد ويكبر حجمها لأن الجزيئات تتحرك بسرعة وتبتعد عن بعضها، لكن في التمدد الحراري السلبي يحدث العكس إذ تنكمش المادة عند التسخين!
هذا يبدو غير بديهي لكنه حقيقي، وله أسباب عديدة منها الحركة غير التقليدية للذرات، ففي بعض المواد لا تتحرك الذرات للأمام والخلف فقط، بل تتحرك بزاوية، أو بشكل شبكي يضغط على التركيب بدل أن يوسعه.
ويمكن أن تهتز الذرات بشكل يجعلها “تسحب” الجيران نحو الداخل عند التسخين، إلى جانب ذلك تمتلك تلك المواد تركيبا بلوريا مفتوحا ومرنا (مثل الأقفاص)، بحيث يُمكن أن تُطوى أو تُقفل عند تسخينها.
تطبيقات واسعة
وبحسب الدراسة، يمكن لهذه المواد أن تُحدث ثورة في تكنولوجيا البطاريات من خلال استعادة بطاريات السيارات الكهربائية القديمة إلى أداء يُشبه الجديد. فبعد سنوات من القيادة فإن السيارة الكهربائية التي من المفترض أن تقطع مسافة 600 كيلومتر بشحنة واحدة، ستضعف ويصبح أقصاها بين 300 و450 كيلومتر، ولكن مع دفع المواد إلى حالتها المستقرة، يمكن استعادة المسافة القصوى إلى الحالة نفسها عندما كانت السيارات جديدة.
ويمكن أن تسهم هذه المواد كذلك في تطوير بطاريات جديدة ذات طاقة نوعية أعلى، وتمكين تطبيقات مستقبلية مثل البطاريات الهيكلية.
وتمثل البطاريات الهيكلية مزيجا مبتكرا بين العمل كبطارية من ناحية كيميائية، والعمل كجزء من البنية الإنشائية من ناحية هندسية، فتخزن الطاقة مثل البطاريات التقليدية، لكنها تحمل الأحمال الهيكلية مثل الهياكل الصلبة (الهيكل الخارجي للطائرة، جسم السيارة… إلخ).