الإلكترونات هي الجسيمات الصغيرة ذات شحنة سالبة وتدور حول نواة الذرة، وهي اللبنات الأساسية للمادة. لكن هل تساءلت يومًا كيف يتحركون؟ إنه سؤال أساسي حير العلماء لعدة قرون. تعد حركة الإلكترونات أمرًا حاسمًا في فهم الظواهر المختلفة، بدءًا من الطريقة التي تنقل بها المواد الكهرباء إلى سلوك الجزيئات في الأنظمة البيولوجية. ومع ذلك، فإن التقاط حركة الإلكترونات كان مهمة شاقة بسبب سرعاتها المذهلة.
للتوضيح، تتحرك الإلكترونات بسرعة تبلغ حوالي 2200 كيلومتر في الثانية (1367 ميلًا في الثانية). هذا أسرع من الرصاصة بالطبع! وهذا يعني أن حركة الإلكترونات تحدث في نطاق زمني قصير للغاية، مما يجعل من الصعب دراستها ومراقبتها.
يعود مفهوم حركة الإلكترون إلى أوائل القرن العشرين عندما طور علماء مثل لويس دي برولي وإروين شرودنغر نظرية ازدواجية الموجة والجسيم. تفترض هذه النظرية أن الإلكترونات يمكن أن تظهر سلوكًا موجيًا وسلوكًا جسيميًا، اعتمادًا على كيفية ملاحظتها. ومع ذلك، فإن فهم تعقيدات حركة الإلكترون يتطلب تطوير أدوات وتقنيات متطورة.
في السنوات الأخيرة، أحرز العلماء تقدمًا كبيرًا في دراسة حركة الإلكترون باستخدام تقنيات متقدمة مثل المجهر الإلكتروني فائق السرعة. يتضمن هذا الأسلوب توجيه حزم الإلكترونات عبر العينة والتقاط التفاعل بينهما باستخدام مستشعر الكاميرا. ومن خلال القيام بذلك، يمكن للباحثين إنشاء صور مفصلة لبنية العينة وديناميكياتها.
ولكن ماذا لو تمكنا من دفع حدود المجهر الإلكتروني إلى أبعد من ذلك؟ ماذا لو تمكنا من التقاط حركة الإلكترونات في الوقت الحقيقي، بدقة أتوثانية؟ وهذا بالضبط ما حققه الباحثون في جامعة أريزونا، وهو ما يمكن أن يحدث ثورة في فهمنا للعالم المادي.
طور الباحثون في جامعة أريزونا أداة ثورية يمكنها التقاط حركة الإلكترونات، وهو إنجاز طال انتظاره في المجتمع العلمي. قام الفريق بقيادة البروفيسور المشارك محمد حسن، بتصميم أسرع مجهر إلكتروني في العالم، قادر على تتبع الحركة السريعة للإلكترونات. ومن المتوقع أن يؤدي هذا الابتكار الرائد إلى تقدم كبير في الفيزياء والكيمياء والهندسة الحيوية وعلوم المواد والمزيد.
يتكون الفريق البحثي من خبراء من جامعة أريزونا، منهم البروفيسور حسن، والأستاذ المساعد نيكولاي جولوبيف، والباحث المشارك داندان هوي، والأستاذ المساعد حسين القطان، وطالب الدراسات العليا محمد السناري. ويمثل عملهم، المنشور في مجلة Science Advances، علامة بارزة في مجال المجهر الإلكتروني.
يستطيع المجهر الإلكتروني النافذ الجديد (TEM) التقاط حركة الإلكترونات، مما يسمح للعلماء بمراقبة ودراسة التغيرات السريعة على المستوى الذري. وهذا يشبه التقاط صور عالية السرعة للإلكترونات أثناء الحركة، مما يكشف عن تفاصيل معقدة لم تكن مرئية من قبل.
نُشر البحث مؤخرًا، بناءً على العمل الحائز على جائزة نوبل لبيير أغوستيني، وفيرينك كراوس، وآن لويلير، الذين وَلّدوا أول نبضة إشعاع فوق بنفسجي شديدة يمكن قياسها بالأتوثانية في عام 2023.
محتويات المقال :
الكشف عن أسرار حركة الإلكترون
تاريخ التحليل الزمني في المجاهر الإلكترونية
لقد شهد مفهوم الدقة الزمنية في المجاهر الإلكترونية تطورًا ملحوظًا، ونتيجة لذلك مهد الطريق لتطوير أسرع مجهر إلكتروني في العالم. لفهم أهمية هذا الإنجاز، دعونا نتعمق في تاريخ المجاهر الإلكترونية فائقة السرعة.
بدأت الرحلة في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين مع تطوير المجاهر الإلكترونية فائقة السرعة التي تستخدم حزم الإلكترونات النبضية المولدة بالليزر. وقد عزز هذا الابتكار بشكل كبير الدقة الزمنية للمجهر، وبالتالي سمح للعلماء بالتقاط التغيرات في العينات أثناء التغير الزمني. ثم أصبحت مدة نبضات الإلكترون العامل الحاسم لدقة المجهر، بدلا من سرعة غالق الكاميرا.
في هذه المجاهر فائقة السرعة المبكرة، انبعثت نبضات إلكترونية بسرعات تبلغ بضعة أتو ثانية، مما أدى إلى إنشاء سلسلة من الصور تشبه الإطارات في الفيلم. ومع ذلك، لا يزال العلماء يفتقدون التفاصيل الدقيقة للتفاعلات الإلكترونية والتغيرات التي تحدث بين هذه الإطارات.
إن السعي لتحقيق دقة زمنية أعلى دفع الباحثين إلى السعي للحصول على نبضات إلكترونية أقصر. لذلك يمثل العمل الحائز على جائزة نوبل لبيير أغوستيني وفيرينك كراوس وآن لوليير في عام 2023 علامة فارقة. حيث أنتجوا أول نبضة إشعاع فوق بنفسجي شديدة يمكن قياسها بالأتوثانية. وقد وضع هذا الاختراق الأساس لتطوير مجاهر إلكترونية أسرع.
من خلال البناء على هذا العمل، حقق الباحثون في أريزونا الآن نبضة إلكترون واحدة من الأتو ثانية. مما أدى إلى ما قد يبدو كتجميد للإلكترونات بشكل فعال في مكانها ودفع حدود الدقة الزمنية لمستويات لم نبلغها مسبقًا. لذلك يعد هذا الإنجاز بمثابة شهادة على السعي الدؤوب للابتكار العلمي، حيث يواصل الباحثون دفع حدود ما هو ممكن في عالم المجهر الإلكتروني.
من الأتو ثانية إلى نبضات الإلكترون فائقة السرعة
إن مفهوم الأتو ثانية صغير بشكل مذهل، إذ أن الأتو ثانية الواحدة تعادل جزءًا من كوينتيليون من الثانية. ومع ذلك، فإن الإلكترونات تتحرك في هذا النطاق الزمني، وكان التقاط حركتها بمثابة الهدف الرئيسي لصناعة المجهر الإلكتروني. لوضع هذا في منظوره الصحيح، تخيل على سبيل المثال، التقاط لقطة لرصاصة مسرعة تتحرك بسرعة 1000 كيلومتر في الساعة. ستحتاج إلى كاميرا ذات سرعة غالق لا تقل عن 100000 إطار في الثانية لالتقاط حركتها. وبالمثل، لتجميد إلكترون متحرك، تحتاج إلى نبضة إلكترونية بذات المفهوم.
قدم العمل الحائز على جائزة نوبل لبيير أغوستيني وفيرينك كراوس وآن لولييه الأساس لتوليد نبضات إشعاع فوق بنفسجي شديدة في الأتو ثانية. بناءً على هذا الإنجاز، أخذ الباحثون في أريزونا خطوة أخرى إلى الأمام من خلال تطوير مجهر يمكنه إنتاج نبضة إلكترون واحدة من الأتو ثانية. ويعني هذا الإنجاز المذهل أنهم يستطيعون الآن التقاط الإلكترونات أثناء الحركة، ونتيجة لذلك يسمح لهم “برؤية” التفاصيل الدقيقة التي كانت محجوبة في السابق.
يتضمن النهج المبتكر تقسيم الليزر القوي إلى قسمين: نبضة إلكترونية سريعة جدًا ونبضتين ضوئيتين فائقتي القصر. تعمل نبضة الضوء الأولى على تنشيط العينة، مما يتسبب في تحرك الإلكترونات أو تعرضها لتغيرات سريعة. ثم تخلق نبضة الضوء الثانية، أو نبضة البوابات الضوئية، نافذة زمنية قصيرة يتم خلالها إنشاء نبضة إلكترون أحادية الأتوثانية. ومن خلال مزامنة هذه النبضات، يمكن للباحثين التحكم في الوقت الذي تستكشف فيه نبضات الإلكترون العينة. بالتالي يؤدي بشكل فعال إلى التقاط العمليات فائقة السرعة على المستوى الذري.
ونتيجة لهذه القفزة التكنولوجية، فتح الباحثون الأبواب أمام عالم جديد من الاستكشاف العلمي، مما مكنهم من دراسة الديناميكيات المعقدة للإلكترونات المتحركة.
إطلاق العنان لقوة الفحص المجهري
تخيل أنك قادر على مشاهدة التفاعلات المعقدة للإلكترونات في المواد، وهي عملية تحدث على نطاق لا يصدق من الأتو ثانية (واحد الأتو ثانية هو واحد من كوينتيليون من الثانية). ومن خلال الفحص المجهري الذري، يستطيع العلماء الآن تصور ودراسة هذه العمليات فائقة السرعة، واكتساب رؤى غير مسبوقة حول سلوك المواد على المستوى الذري.
التطبيقات المحتملة للتنظير الذري واسعة ومتنوعة. على سبيل المثال، من خلال مراقبة تحركات الإلكترونات في المواد، يمكن للباحثين تطوير فهم جديد للموصلية الفائقة. وهي ظاهرة حيث يمكن لبعض المواد توصيل الكهرباء بدون مقاومة. وبالتالي يمكن أن تؤدي هذه المعرفة إلى إنشاء أنظمة نقل طاقة أكثر كفاءة، وإحداث ثورة في الطريقة التي نولد بها الطاقة ونوزعها.
علاوة على ذلك، يمكن أن يساعد الفحص المجهري العلماء في تصميم مواد جديدة ذات خصائص مخصصة، مثل الموصلية أو القوة المحسنة. ومن خلال مراقبة تحركات الإلكترونات في هذه المواد، يمكن للباحثين ضبط تركيبتها وبنيتها. مما يؤدي إلى اختراقات في مجالات مثل تخزين الطاقة، والإلكترونيات الضوئية، والتصنيع المتقدم.
وتمتد قوة الفحص المجهري الذري أيضًا إلى عالم الأنظمة البيولوجية، حيث يمكن أن يساعد العلماء على فهم الآليات المعقدة لنقل الإلكترون في البروتينات والجزيئات الحيوية. ونتيجة لذلك يمكن أن تؤدي هذه المعرفة إلى تطوير أدوات تشخيصية جديدة، وأساليب جديدة لمكافحة الأمراض.
من هنا، فإن أسرع مجهر إلكتروني في العالم ليس مجرد أعجوبة تكنولوجية؛ إنها بوابة لعصر جديد من الاكتشافات العلمية، حيث يمكن كشف أسرار حركة الإلكترون وتسخيرها لخلق مستقبل أفضل للبشرية.
المصادر
- Attosecond electron microscopy and diffraction
- Arizona researchers develop microscope that captures electrons in motion
Author: إيمان عبد الحليم
سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك موقع الأكاديمية بوست ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.
التعليقات :