الماس الصناعي: فيزياء التبلور المختبري

الرئيسة / مقالات علمية

محمد المدني

عدد المقالات : 8

ربما تتساءل الآن ما الذي يجعل قطعة من الكربون النقي، مرتبة في بنية رباعية تكرارية ثلاثية الأبعاد، أن تصبح أحد أصلب المواد المعروفة للبشر الأمر ليس فقط في الكيمياء، بل في فيزياء الحالة الصلبة والبنية البلورية نفسها، حيث تلعب الروابط التساهمية الفائقة بين ذرات الكربون المتناظرة الدور الحاسم، ومن هنا يبدأ حديثنا عن الماس الصناعي، ذاك المنتج الذي أراد العلماء من خلاله تحدي الطبيعة نفسها وإعادة خلق ظروف الأرض الباطنية في مختبرات معاصرة حول العالم، نحن لا نتحدث هنا عن تقليد بصري للماس الطبيعي، بل عن إعادة بناء للتركيب الفيزيائي الدقيق، وهنا يبرز سؤال: كيف يُصنع الماس صناعياً لنبدأ من الأساس الفيزيائي.
أنت تعرف أن الضغط ودرجة الحرارة هما المحددان الأساسيان لتحول الكربون إلى ماس، وهذا ما تحققه التقنية الأولى وهي طريقة الضغط العالي والحرارة العالية (HPHT)، حيث تُوضع قطعة من الغرافيت، أو أحياناً هيدروكربونات، داخل خلايا ضغط صممت لتوليد أكثر من 5 غيغا باسكال من الضغط مع حرارة تفوق 1500 كلفن، هذه القيم ليست اعتباطية بل تم اشتقاقها من معادلات الحالة للكربون في أطواره الصلبة، وتحديدًا من دراسات على خطوط الطور، واحدة من أقدم الدراسات التجريبية التي أرست الأساس لهذا المسار تعود إلى ستانفورد موور وروس ميلز من مختبرات "جنرال إلكتريك" عام 1955، حيث نجحوا في تصنيع أول ماس صناعي حقيقي، وليس مجرد مادة شبيهة، بالاعتماد على خلية بلتونيك سداسية الرأس تخلق تلك الظروف الفيزيائية القاسية المطلوبة لتكوين البنية الماسية.
لكن التقنية الأخرى التي ربما ستشد انتباهك أكثر، خاصة إن كنت تميل إلى فيزياء البلازما والسطوح، هي تقنية ترسيب الأبخرة الكيميائي (CVD)، وفيها لا نحتاج لضغط هائل، بل نستخدم مزيجًا من غازات الكربون (عادة ميثان) والهيدروجين تحت ضغط منخفض، وتُعرّض لبلازما ناتجة عن مجال ميكروويفي موجه بدقة، فتتفكك الروابط داخل الميثان، وتترسب ذرات الكربون فوق ركيزة مسطحة، غالبًا من الماس الصناعي أو السيليكون، ما يعطي فرصة لبناء بلورات ماسية طبقة تلو أخرى، هذه العملية التي قد تبدو بطيئة تُدار بمعادلات نشر حراري وانتقال الكتلة، ولها جذور في تجارب جامعة طوكيو التقنية منذ الثمانينيات بقيادة البروفسور ماسايوكي كاوامورا، وقد طورتها لاحقًا مختبرات جامعة ولاية أريزونا تحت إشراف فيزيائي المواد المتقدمة الدكتور كريستوفر هيتون.
قد تسألني: أين يصنع هذا الماس الآن على نطاق تجاري والإجابة ستفاجئك، فالصين هي اللاعب الأول عالميًا في إنتاج الماس الصناعي، إذ تسيطر وحدها على ما يفوق 90 من السوق العالمية، تحديدًا عبر شركات مثل Zhengzhou Sino-Crystal Diamond التي تعمل بخطوط إنتاج CVD وHPHT واسعة النطاق، تليها الهند والولايات المتحدة، حيث تتصدر شركة Element Six التابعة لـ"دي بيرز" المشهد التقني في أوروبا والولايات المتحدة، كما توجد برامج بحث متقدمة في جامعة كامبريدج بالتعاون مع مختبرات IBM لتحسين الأداء الإلكتروني للماس الصناعي في التطبيقات الكمية
فيزيائيًا، من أهم خصائص الماس الصناعي والتي يجب أن تُفهم من منظار فيزيائي دقيق، هو فجوة الحزمة (band gap) العالية التي تبلغ حوالي 5.5 إلكترون فولت، مما يجعله مادة عازلة للكهرباء بشكل شبه كامل ولكن في الوقت نفسه قادرًا على تحمل حقول كهربائية عالية دون انهيار، بل والأدهى من ذلك، فإن نقاوته البلورية تسمح بإقحام شوائب مضبوطة بدقة مثل شوائب النتروجين المعروفة بمراكز NV (Nitrogen Vacancy centers)، والتي أصبحت الآن حجر الزاوية في أنظمة الحوسبة الكمية ومعالجات الاستشعار الكمومي، وهنا لا يمكن أن نغفل إسهام الدكتور ديفيد أويس في جامعة هارفارد الذي أشرف على أول تجارب تثبيت وتحكم في مركز NV أحادي داخل بلورة ماس صناعي عام 2013، وقد تطورت هذه التقنية اليوم لتُستخدم في المجسات الكمية الدقيقة في جامعة بازل وجامعة ستانفورد.
لنضع الأمور الآن في سياق أوسع، لا يقتصر دور الماس الصناعي على الجماليات أو التطبيقات البسيطة، بل هو اليوم في صميم أبحاث الإلكترونيات عالية القدرة، حيث بدأت معامل توشيبا وبوش في تطوير ترانزستورات من الماس تعمل بكفاءة تحت درجات حرارة تتجاوز 400 درجة مئوية، وهذا لا يمكن أن يحدث إلا بفضل الموصلية الحرارية الفائقة للماس والتي تصل إلى 2200 واط/متر.كلفن، وهي أعلى من أي مادة صلبة معروفة بما في ذلك النحاس.
والآن، ربما تتساءل ما إذا كانت هذه التكنولوجيا في متناول العالم النامي، ومن هنا تبرز مبادرات بارزة مثل مركز النانوفوتونيات في جامعة سنغافورة الوطنية، حيث يشرف البروفسور فينيت شاندرا على مشروع تحويل مخلفات الكربون الصناعي إلى ألماس منخفض التكلفة باستخدام ترددات ميكروية محلية الصنع، في حين تدير جامعة بغداد قسمًا ناشئًا لأبحاث المواد فائقة الصلابة بالتعاون مع معهد بحوث النانو بجامعة شيفيلد البريطانية
حين ننظر إلى الماس الصناعي، فإننا لا نرى مجرد مادة فائقة الصلابة، بل نرى الدليل الأوضح على قدرة الفيزياء على تجاوز حدود الطبيعة ذاتها، فأن نعيد بناء واحدة من أعقد البنى البلورية تحت شروط نولدها نحن في المختبر هو اعتراف ضمني بأن العلم لم يعد يكتفي بالملاحظة، بل أصبح يمارس الخلق، لا بالمعنى الفلسفي، بل بالمعنى الدقيق لصياغة المادة من قوانينها الأساسية، وهذا ما يمنح الماس الصناعي مكانته، ليس كمجرد منتج، بل كإنجاز تجريبي يعكس تراكمًا معرفيًا هائلًا في الديناميكا الحرارية، فيزياء المواد، ميكانيكا الكم، وهندسة الحقول. لذلك، حين تحمل شريحة من الماس الصناعي داخل معالج كمومي أو مستشعر دقيق، فأنت تحمل اختزالًا للعقل البشري وقدرته على تنظيم الذرات لا كما وجدت، بل كما يجب أن تكون. وفي هذا السياق، لا يُعد الماس الصناعي نهاية طموحنا، بل بدايته، بداية لعصر تتقاطع فيه حدود المادة مع حدود التصميم، وتندمج فيه الفكرة مع البنية في معادلة واحدة: الفيزياء تصنع المستقبل.

الهدف من هذا المقال ليس فقط أن تستوعب كيف يُصنع الماس الصناعي، بل أن ترى في هذا الجهد تكاملًا بين فيزياء الحالة الصلبة، الديناميكا الحرارية، فيزياء البلازما، ميكانيكا الكم، والنمذجة الحاسوبية، فكل بلورة يتم توليدها صناعيًا هي تتويج لفهمنا العميق لسلوك المادة تحت الظروف القصوى، وهي أيضًا مثال رائع على كيف يمكن للعلم أن يحاكي الطبيعة بل ويتفوق عليها أحيانًا.

اعضاء معجبون بهذا

جاري التحميل

ثقافية

طرق تدريس التعبير الوظيفي

التعبير الوظيفي من أشكال التعبير الكتابي والغرض منه تيسير التواصل بين أفراد المجتمع والمساعدة في قضاء حوائجهم وإنجاز شؤونهم ، وهو لا يخضع لأساليب التجميل اللفظي والخيال ، بل له أنماط محددة متعارف عليها مثل كتابة التقارير ، والمخاطبات الرسمية. أولا التقريـر: التقرير أحد ألوان الكتابة الموضوعية ؛... المزيد

حمدي الروبي

عدد المقالات : 28

من يحل لغز المباراة النهائية لكاس العالم 1998

مباراة فرنسا والبرازيل في نهائي كاس العالم 1998 في باريس لا يمكن نسيانها لما حصل من اشياء محيرة فيها وهو الفوز الذي لا يمكن تسجيله الا باسم زيدان صاحب اهداف الشوط الاول التي اشعلت الاجواء في شارع الشانزليزيه وقد كان هي الوحيدة في مبارات كوس العالم التي خسرتها البرازيل بين عامي 1994 و2002، حيث كان توهج... المزيد

اسعد الدلفي

عدد المقالات : 7

دورك كمدرب ناجح

بداية من الجيد أن نشير إلى أهم عناصر العملية التدريبية الأساسية ، وهي: 1. ( المُدرب ) : يجب أن يكون مؤهلا علميا وعمليا ومهنيا ؛ لأن التدريب المتميز لا يمكن الحصول عليه إلا من خلال خبراء ومدربين لديهم الخبرة العملية الطويلة في مجال التدريب. 2. ( المُتدرب ) : هو جوهر العملية التدريبية وأساس نجاحها ، وحتى... المزيد

حمدي الروبي

عدد المقالات : 28

نشأة كرة السلة

شهدت الحضارات القديمة ألعاب تشبه كرة السلة، حيث عرفت لعبة بوكتا بوك عند المايا في القرن السابع قبل الميلاد، كما عرفتها الشعوب الأزتيكية باسم (تشلاشلي). نشأت كرة السلة التي نعرفها اليوم في أوائل عام 1891، على يد الدكتور الكندي جيمس ناي سميث، أستاذ التربية البدنية بجامعة ماكجيل في مونتريال، والذي كان... المزيد

ياسين فؤاد الشريفي

عدد المقالات : 45

أدبية

هَانَتْ عَلَيْهِ نَفْسُهُ مَنْ أَمَّرَ عَلَيْهَا لِسَانَهُ (قصة قصيرة)

في إحدى القُرى الصغيرةِ، كانَ يعيشُ رجلٌ يُدعَى (مالكٌ). كانَ رجلاً فقيراً لكنّهُ عُرِفَ بينَ الناسِ بسُرعةِ غضبهِ وحِدَّةِ لسانِهِ. ما إنْ يغضبَ حتّى يُطلقَ العنانَ لكلماتِهِ، لا يُراعي حُرمةً ولا يُبقي وداً. ولم يكُنْ يُفرِّقُ بينَ القريبِ والغَريبِ، حتّى بدأتِ الناسُ تتجنّبُ مخالطتَهُ خوفاً مِنْ... المزيد

قصص وعظات

عدد المقالات : 9

ألا صلوا في بيوتكم ( قصة قصيرة)

( ألا صلوا في بيوتكم ، قصة قصيرة يكتبها:حمدي الروبي ) نسمات الفجر السماوية تملأ صدرها حياةً ورضاً وتفاؤلاً .. تتوارى خلف ستائر شرفتها الرحبة .. تتأمل زحف المؤمنين نحو مصلى العيد .. كأنها تنظر إلى جموع الصحابة المتجهين نحو إحدى الفتوحات طالبين النصر أو الشهادة .. الشوارع تعطرت بتكبيرات الرجال والشباب... المزيد

حمدي الروبي

عدد المقالات : 28

" ستائر سوداء"

وقت الظهيرة، الشمس تحس بلهيبنا كما نحس بلهيبها، نزّلوا التابوت، الصراخ يعلو، أمه تصرخ لماذا يارب الجيران يبكون، الدنيا حوله كلها عيون حمراء، ونخيل محنيّ هي ذهبت مسرعة الی سلم البيت، وقفت تنظر إليه،كيف كانت تصعده في كل مرة كان عاليا...متعبا.. وهي مثقلة بيدها دلو بلاستيكيّ، مليءٌ بالدهن السائح،... المزيد

د.أمل الأسدي

عدد المقالات : 32

قراءة نقدية في مجموعة "مشاعر كامنة"

عنوان هذه المجموعة القصصية يجعلك منجذبا نحو تناول الكتاب وقراءته ، ومع تناول القصة الأولى يقرر القاريء أن العنوان قد حالفه كثير من التوفيق؛ فالمحتوى حافل بمشاعر حيَّة ونابضة وإن لم تكن جميعها ( مشاعر كامنة ) ، فبعض قصص المجموعة تطل منها المشاعر بوجه مشرق تراه العين بوضوح ويستشعره القلب قوياً ، ومنها... المزيد

حمدي الروبي

عدد المقالات : 28

علمية

الماس الصناعي: فيزياء التبلور المختبري

مفهوم التضخم وانواعه وتأثيره على الاقتصاد

التضخم هو فقدان تدريجي للقوة الشرائية، ينعكس في ارتفاع واسع النطاق في أسعار السلع والخدمات مع مرور الوقت. يُحسب معدل التضخم بمتوسط ارتفاع أسعار سلة مختارة من السلع والخدمات على مدار عام واحد. يعني ارتفاع التضخم أن الأسعار ترتفع بسرعة، بينما يعني... المزيد

تخطيط وتقويم الحملات الإعلامية

1- مفهوم الحملة الإعلامية: يمكن تعريف الحملة الإعلامية بأنها "ذلك البرنامج الاتصالي الإعلامي المخطط بدقة ، والذي يتضمن مجموعة من الرسائل الاتصالية التي تحمل نفس الدعوى أو دعاوي مترابطة ومتكاملة معا،لتصل إلى مختلف فئات الجمهور المستهدف،عبر وسائل... المزيد