صناعة الألماس من الصفر في 15 دقيقة فقط

تخيل عالماً لم يعد فيه الألماس حجرًا نادرًا وباهظ الثمن، بل أصبح حجرًا كريمًا متاحًا بسهولة وبأسعار معقولة. لقد اتخذ العلماء خطوة كبيرة نحو تحقيق ذلك من خلال تطوير تقنية جديدة لتصنيع الألماس عند الضغط الجوي الطبيعي ودون الحاجة إلى جوهرة أولية (starter gem). هذا الإنجاز يمكن أن يجعل من الممكن صناعة الألماس في المختبر بسهولة وكفاءة غير مسبوقة.

كان فريق بقيادة رودني روف، عالم الكيمياء الفيزيائية في معهد العلوم الأساسية في كوريا الجنوبية، رائدا في هذه الطريقة المبتكرة. ونشر النتائج التي توصلوا إليها في مجلة نيتشر في 24 أبريل. وتزيل التقنية الجديدة بعض عيوب الأساليب الحالية، والتي تتطلب ضغوطًا ودرجات حرارة شديدة، مما يجعلها تغير قواعد اللعبة في عالم تصنيع الألماس.

كيف يتشكل الألماس في الطبيعة

في أعماق وشاح الأرض( Earth’s mantle)، وتحت ضغط ودرجات حرارة شديدين، يتم تصنيع الألماس في عملية طالما فتنت البشر. إن رحلة تكوينه هي شهادة على القوى المذهلة التي تشكل كوكبنا. لفهم كيف تمكن العلماء من تكرار هذه العملية في المختبر، يجب علينا أن نتعمق في تعقيدات تكوين الألماس الطبيعي.

تخيل بيئة تشبه الفرن، حيث تتعرض المعادن الغنية بالكربون لضغوط لا يمكن تصورها تصل إلى عدة جيجاباسكال ودرجات حرارة تتجاوز 2700 درجة فهرنهايت (1500 درجة مئوية). هذا هو عالم وشاح الأرض، حيث يتشكل الألماس على مدى ملايين السنين. تبدأ العملية بصهارة غنية بالكربون تتصاعد من باطن الأرض، ثم تبرد وتتصلب تحت ضغط هائل. عندما تبرد الصهارة، تترابط ذرات الكربون معًا في بنية بلورية فريدة، مما يؤدي إلى ظهور الحجر الكريم المرغوب.

الظروف اللازمة لتكوين الماس صعبة للغاية بحيث يصعب تكرارها على السطح. ومع ذلك، فقد سعى العلماء منذ فترة طويلة إلى كشف أسرار تكوين الألماس، مدفوعين بجاذبية تصنيع هذه الأحجار الكريمة في بيئة معملية. ويكمن التحدي في إعادة إنشاء المزيج المثالي من الضغط ودرجة الحرارة والكيمياء الموجودة في أعماق وشاح الأرض.

التاريخ العلمي لتخليق الألماس

يتمتع تصنيع الألماس بتاريخ غني ورائع يمتد لعدة قرون. تعود أول محاولة مسجلة لإنشاء الألماس الاصطناعي إلى عام 1797، عندما حاول الكيميائي البريطاني سميثسون تينانت تحويل المواد المحتوية على الكربون إلى ألماس باستخدام ظروف الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية. وعلى الرغم من أن محاولته لم تنجح، إلا أنها كانت بمثابة بداية رحلة طويلة وشاقة لفك شفرة تصنيعه.

ننتقل سريعًا إلى منتصف القرن العشرين، عندما تم تحقيق أول تخليق ناجح للألماس على يد فريق من العلماء في شركة جنرال إلكتريك (GE) في عام 1954. وقد قاد هذا العمل الرائد تريسي هول، الذي طور جهاز الضغط العالي والحرارة العالية (high-pressure and high-temperature (HPHT) growth) الذي يحاكي العملية الطبيعية لتكوين الألماس. استخدم فريق جنرال إلكتريك حاوية مضغوطة لإخضاع مادة تحتوي على الكربون لظروف قاسية، تشبه تلك الموجودة في أعماق وشاح الأرض.

وسرعان ما أصبحت طريقة (HPHT) هي المعيار الذهبي لتصنيع الألماس، وظلت التقنية السائدة لعقود من الزمن. ومع ذلك، جاءت هذه الطريقة مصحوبة بمجموعة من التحديات الخاصة بها، بما في ذلك الحاجة إلى مكابس ضخمة، ودرجات حرارة عالية للغاية، والحاجة إلى جوهرة أولية. أدت هذه القيود إلى تطوير طرق بديلة، مثل ترسيب البخار الكيميائي ( (CVD) chemical vapor deposition)، مما أدى إلى القضاء على بعض عيوب (HPHT).

القضاء على عيوب التصنيع

لقد طور فريق روف الآن تقنية جديدة تقضي على بعض عيوب كل من (HPHT) و(CVD). وباستخدام الغاليوم المسخن كهربائيًا مع القليل من السيليكون في بوتقة من الجرافيت، تمكنوا من تصنيع ألماس عند الضغط الجوي الطبيعي، دون الحاجة إلى جوهرة أولية. هذا الإنجاز لديه القدرة على إحداث ثورة في مجال تصنيع الألماس.

يتضمن النهج المبتكر للباحثين ضخ غاز الميثان فائق السخونة والغني بالكربون من خلال غرفة مصممة خصيصًا، حيث يتلامس مع خليط الجاليوم والسيليكون. يحفز هذا المزيج الجديد تكوين الألماس، على الرغم من صغر حجمه، فهو عالي النقاء، مع وجود عدد قليل فقط من ذرات السيليكون فيه.

أثبت الجاليوم، وهو عنصر غالبًا ما يتم تجاهله، أنه بطل غير متوقع في هذا الاكتشاف الرائد. حيث اختار الباحثون، بقيادة رودني روف، الجاليوم لخاصيته الفريدة وهي قدرته على تحفيز تكوين الجرافين من الميثان. الجرافين يحتوي على كربون نقي حيث تتشكل ذراته في طبقة واحدة، وهو يشبه الماس في التركيب ولكنه يختلف في ترتيبه الذري.

في بوتقة الجرافيت، قام الباحثون بدمج الغاليوم مع قليل من السيليكون وخليط من الحديد والنيكل والجاليوم. تم تعريض هذا المزيج الفريد، الموجود في غرفة مبنية، لغاز الميثان الغني بالكربون شديد الحرارة. ويمكن تجهيز الغرفة، التي صممها المؤلف المشارك وون كيونغ سيونغ، في 15 دقيقة فقط، مما يسمح للفريق باختبار تركيزات مختلفة من المعادن والغازات بسرعة.

ومن خلال سلسلة من التجارب، قرر العلماء أن خليط الغاليوم والنيكل والحديد كان المحفز الأمثل لنمو الألماس. ولدهشتهم، بدأ الألماس يتشكل في قاعدة البوتقة بعد 15 دقيقة فقط من بدء التجربة. وفي غضون ساعتين ونصف الساعة، تشكلت طبقة ألماس أكثر اكتمالاً، وأكدت التحليلات الطيفية أنها نقية إلى حد كبير مع وجود عدد قليل من ذرات السيليكون.

في حين أن الآلية الدقيقة وراء هذه العملية ليست مفهومة بالكامل بعد، يعتقد الباحثون أن انخفاض درجة الحرارة يدفع الكربون من الميثان نحو مركز البوتقة، حيث يندمج ويشكل الماس. يعد دور السيليكون في هذه العملية أمرًا بالغ الأهمية أيضًا، حيث يبدو أنه يعمل بمثابة بذرة يتبلور الكربون حولها.

مستقبل تصنيع الألماس

إن التقنية الرائدة لتصنيع الألماس تفتح مجموعة كبيرة من الإمكانيات لمختلف التطبيقات. في حين أن الألماس المصنوع باستخدام هذه الطريقة صغير جدًا حاليًا بحيث لا يمكن استخدامه كمجوهرات، فإن استخداماته المحتملة في التطبيقات التكنولوجية واسعة النطاق.

تخيل عالما حيث يتم استخدام الألماس، المعروف بصلابته الاستثنائية وموصليته الحرارية، لإنشاء أدوات حفر فائقة الكفاءة، مما يحدث ثورة في صناعات مثل التعدين والبناء. تصور أدوات القطع المطلية بالألماس والتي يمكنها التقطيع عبر أصعب المواد بسهولة، أو الإلكترونيات القائمة على الألماس والتي يمكن أن تعمل بسرعات ودرجات حرارة غير مسبوقة.

إن الآثار المترتبة على هذا الاكتشاف بعيدة المدى ومتعددة الأوجه. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي الترانزستورات المعتمدة على الألماس إلى تطوير أنظمة حوسبة عالية السرعة يمكنها العمل في بيئات قاسية، كما هو الحال في صناعات الفضاء الجوي أو السيارات. إن إمكانات التقدم في مجالات مثل الطب والطاقة والتصنيع هائلة.

علاوة على ذلك، فإن القدرة على تصنيع الماس على نطاق واسع يمكن أن يكون لها تأثير كبير على البيئة. ومن خلال تقليل الحاجة إلى الألماس المستخرج بشكل طبيعي، يمكن أن تساعد هذه الطريقة في تقليل البصمة البيئية لصناعة التعدين. وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدامه في التطبيقات الصناعية يمكن أن يؤدي إلى ممارسات أكثر كفاءة واستدامة.

المصادر:

live science