از نیروهای جاذبه‌ی کریستال که جزو بنیادی‌ترین نیروهای تشکیل جهان هستند، چه می‌دانید؟ دانشمندان برای اولین بار در پژوهشی توانستند نیروهای جاذبه کریستال را اندازه‌گیری کنند. در این مقاله، شما را به عمق جهان هستی، یعنی جایی که نیروهای جاذبه کریستال ، جهان را شکل می‌دهند می‌بریم. نتایج این پژوهش، دو هفته پیش در مجله Science منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…
کریستال و نیروی نهفته در آن
کریستال‌ها جزو شگفت انگیزترین ساختارهای طبیعت هستند، نه تنها به خاطر ساختار شبکه ای یکتا، بسیار منظم و تکرار شونده‌‌شان، بلکه به این جهت که ویژگی‌های ذاتی جالبی مانند توانایی خودآرایی دارند؛ رازی که در نیروهای جاذبه کریستال نهفته است. زمانی که یکی از آنها در کنار دیگری قرار می‌گیرد، کریستالهای کوچک به هم می پیچند، دور هم می‌چرخند و برای تشکیل کریستال بزرگتر، محکم به هم برخورد می‌کنند. دانشمندان برای اولین بار، نیروهای جاذبه کریستال که چنین امکانی را بوجود می‌آورند اندازه‌گیری و تصویرسازی کرده‌اند.
محققان با استفاده از یک تکنیک جدید مصورسازی نشان دادند نیروی درون کریستال، نوعی نیروی واندروالس است. نیروی واندروالس، یک نیروی جاذبه‌ای کوانتومی است که منجر به تشکیل پیوند شیمیایی نمی‌شود، در واقع این نیرو، پایدار نبوده و به صورت لحظه‌ای عمل می‌کند. نیروی واندروالس مانند نیرویی است که به مارمولک امکان چسبیدن به دیوار و آویزان شدن از آن را می‌دهد و اکنون دانشمندان نشان داده‌اند که این نیرو باعث درهم‌پیچیدگی و آمیختن کریستال به یکدیگر می‌شود. از طرفی این نیرو، بزرگترشدن کریستال را امکان‌پذیر می‌کند.
اگر چه ساختارهای کریستالی به شکل‌های مختلفی مانند مکعب ساخته شده‌اند، اما این کریستال‌ها، جداره‌هایی با شکل‌های متفاوت دارند، بطوریکه بعضی از آنها با یکدیگر تطابق دارند و بعضی دیگر ندارند. وقتی جداره‌ها با یکدیگر مطابقت داشته باشند، کریستال‌ها می‌توانند یکپارچه شده و با یکدیگر آمیخته شوند. مدت زیادی است که دانشمندان معتقدند کریستال‌ها می‌توانند برای سهولت درآمیختن با یکدیگر، خودآرایی کنند، اما تاکنون هیچکس نتوانسته بود این پدیده را تصویرسازی یا اندازه‌گیری کند؛ چرا که تاکنون امکان اندازه‌گیری نیروهای جاذبه کریستال وجود نداشت.
آگاهی از چگونگی درهم آمیختن کریستال‌ها با یکدیگر، بسیار مهم است، زیرا نیروهای جاذبه کریستال ، نیروهای کلیدی طبیعت برای تشکیل هرچیزی از صخره‌ها و صدف‌های دریایی تا استخوان‌های بدن ما هستند. از طرفی این نیرو برای دانشمندانی که به دنبال طراحی کریستال‌ها و مواد جدید هستند، حیاتی است. محقق ارشد این پژوهش، کِوین روسو از دپارتمان انرژی ایالات متحده می‌گوید:
شناخت نیرو خود، انگیزه است، به این معنا که با اندازه‌گیری‌هایی از این نوع می‌توان یک مدل سه‌بعدی برای چسبیدن ذرات به یکدیگر به طریق مشخصی مانند آجرهای لگو ساخت. کریستال‌ها در طبیعت، به وفور یافت می‌شوند و این پژوهش به ما کمک می‌کند تا هنگام طراحی مواد جدید از مزایای آن بهره‌مند شویم.
چگونه راز پنهان در کریستال کشف شد
محققان برای مطالعه نیرویی که کریستال‌ها را کنار هم مرتب می‌کند، یک میکروسکوپ انتقال محیطی الکترون(ETEM) را با تکنولوژی پروب نیروی نانوکریستال ترکیب کردند که به آنها اجازه می‌دهد برهمکنش‌های کریستال را در لحظه، مشاهده و دستکاری کنند. آنها با استفاده از این تجهیزات، دو کریستال تیتانیوم اکساید را که هزار مرتبه از موی انسان باریکتر است، کنار یکدیگر قرار داده، در زاویه‌های متفاوتی با یکدیگر ترکیب نمودند و ترکیب آنها با یکدیگر را زیر میکروسکوپ مشاهده کردند. دانشمندان مشاهدات خود را با چیزی که هنگام نزدیک کردن دو آهنربا و حرکت دادن به سمت یکدیگر در مقیاس بسیار بسیار کوچکتر می‌دیدند، مقایسه کردند. وقتی آهنرباها به اندازه‌ی کافی به یکدیگر نزدیک باشند که نیروی جاذبه بر نیروی دافعه غلبه داشته باشد، به یکدیگر می‌چسبند.
محققان همچنین سعی کردند کریستال‌ها را در دو حالت درهم‌پیچیده و درهم نپیچیده به یکدیگر مطالعه کردند تا نیرویی که به یکدیگر وارد می‌کنند، اندازه بگیرند. این اندازه‌گیری‌ها به محققان امکان داد تا برای اولین بار، نیرویی که کریستال‌ها را به هم قفل می‌کند، مشخص کنند: این نیرو به اندازه نیروهای واندروالس، کوچک بود. نیروهای واندروالس، ضعیف‌ترین نیروها در میان نیروهای فیزیکی-شیمیایی هستند و نتیجه‌ی جاذبه‌های مکانیک کوانتومی بین ذره‌ها، افزون بر جاذبه‌ی معمول الکتریکی-شیمیایی بین ذرات مثبت و منفی هستند. علی‌رغم اینکه این نیروها بر اساس نیروهای عجیب مکانیک کوانتومی، عمل می‌کنند، اما بسیار خوب مطالعه شده‌اند. این کشف جدید، درواقع برای اولین بار، یکی از پیش‌بینی‌هایی که به دهه ۱۹۷۰ برمی‌گردد را تایید می‌کند: نیروی جاذبه به چگونگی چرخش کریستال‌ها نسبت به یکدیگر بستگی دارد ( چرخاندن نان باگتی را برای درست کردن یک قرص نان تصور کنید). روسو می‌گوید:
این اولین بار است که وابستگی نیرو به چگونگی چرخش کریستال‌ها نسبت به یکدیگر، اثبات و تایید می‌شود، چیزی که ما آن را وابستگی چرخشی می‌نامیم. وابستگی چرخشی نیروها نشان می‌دهد این نیرو در آرایش کریستالهای آزاد نقش دارد.
حالا محققان می‌خواهند نیرویی را بررسی کنند که این کریستالهای اکسید تیتانیوم را به سمت یکدیگر می‌کشد و به آنها اجازه می‌دهد نیروهای جاذبه را در کریستال‌هایی را که از مواد مختلف تشکیل شده، پیش‌بینی کنند. نتایج این پژوهش همچنین در ساخت مواد جدید بر پایه‌ی کریستال، به محققان کمک خواهد کرد.
مقاله اصلی را در زیر مشاهده کنید:
[gview file=”http://www.deeplook.ir/wp-content/uploads/2017/05/Direction-specific-van-der-Waals-attraction-between-rutile-TiO2-nanocrystals.pdf” profile=”3″ save=”1″]
