حبس الجزيئات يمنع الذرات الثنائية المحصورة من التحرك بحرية

هناك فريق من العلماء يتناقشون الآن عن سلوك كمي غير متوقع لجزيئات الهيدروجين H2، المحصورة داخل أقفاص صغيرة مصنوعة من جزيئات عضوية، مما يدل على أن بنية القفص تؤثر على سلوك الجزيء المحصور داخله.

إن الفهم التفصيلي لفيزياء الذرات الفردية التي تتفاعل مع بعضها البعض على المستوى المجهري يمكن أن يؤدي إلى اكتشاف ظواهر جديدة، مما يساعد في توجيه تصنيع المواد الجديدة، وأيضًا تطوير العقاقير في المستقبل. ولكن على المستوى الذري، لا تنطبق قواعد الفيزياء الكلاسيكية، التي يطلق عليها Newtonian (قواعد نيوتن). في مجال القواعد الصغيرة جدًا، التي تخضع لميكانيكا الكم، هناك ضرورة لفهم التفاعلات بين الذرات حيث تكون الطاقة منفصلة، أو غير مستمرة، وحيث يكون موقع الذرات غير مؤكد.

قام فريق بحثي بفحص ديناميكيات المستوى الذري لنوع خاص من المركبات الجزيئية يسمى clathrate. وذلك باستخدام مطياف ضوئي يسمى VISION. تتكون Clathrate من بنية شبكية تشكل الأقفاص، وتحبس أنواعًا أخرى من الجزيئات بداخلها. كان نوع clathrate الذي درسه الفريق يسمى hydroquinone، وكان يتألف من أقفاص مصنوعة من الجزيئات العضوية التي تحبس H2. ويكون جزيء H2 واحد فقط موجود داخل كل قفص، لذلك يمكن فحص السلوك الكمي للجزيئات المعزولة بالتفصيل.

تمكن فريق البحث من مراقبة كيف يتم تدوير جزيء الهيدروجين داخل القفص. والمثير للدهشة، أن الحركة الدورانية الملحوظة كانت تختلف عن H2 المحبوسة في الأنظمة الاخرى والتي تُمكن الجزيئات أن تدور بحرية في جميع الاتجاهات. ويشير ستروبل إلى أن السلوك الذي لاحظوه هنا يشبه سلوك جزيئات H2 الملتصقة بسطح معدني، وهذه هي المرة الأولى التي يُلاحظ فيها هذا السلوك، الذي يعرفه الفيزيائيون على أنه دوار ثنائي الابعاد، وقد لُوحظ هذا السلوك للهيدروجين المُحاصر داخل clathrate.

وقد تبين أن بنية أقفاص الكلاثرات تؤثر بشكل كبير على ديناميكيات H2، مما يتسبب في تفضيل الدوران في بُعدين على الرغم من عدم وجود روابط كيميائية. بالإضافة إلى الأفكار الأساسية، قد يكون لهذا الاكتشاف آثار مهمة لتصميم مواد تخزين الهيدروجين التي يمكن أن تحبس H2 وهذا مفيد في تطبيقات الطاقة والنقل.

المصدر

كتابة: ألاء عمارة

مراجعة: منة طارق

تحرير: أحمد عبدالستار