التصنيف: فيزياء

تطلق العواصف الرعدية عصفات قوية من أشعة جاما علي شكل انفجارات قوية يقاس طولها بالملليِ ثانية وتسمي ومضات أشعة جاما الأرضية. [1] وتنتج هذه الانفجارات أيضا أشعة من الإلكترونات وحتي من المادة المضادة التي تستطيع السير نصف الطريق حول الكرة الأرضية. إن جميع التفسيرات المقترحة تتضمن مجالات كهربائية قوية مطلقة للإلكترونات مندفعة بقوة إلي داخل السحب الرعدية، ولكن لايوجد تفسير يفسر تماما الطاقات المنحدرة عموديا لأشعة جاما. ولكن، ربما تحل هذا اللغز المهمات الفضائية الموجهة حديثًا والطائرات البحثية، إضافة إلى بحثها عما إذا كانت الومضات تعرض رحلات خطوط الطيران لأخطار إشعاعية.

هل سبق أن رأيت وميضًا من الضوء الأزرق اللامع في السماء أثناء عاصفة رعدية؟ إذا كان الأمر كذلك، فأنت قد حضرت دفقة مماثلة من أشعة جاما الأرضية. أشعة جاما هي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي لها طاقة عالية جدًا. عادة ما يتم إنتاجها من مصادر خارج الأرض، مثل انفجارات المستعر الأعظم أو أشعة الشمس. ولكن في الواقع، يمكن أيضًا إنتاجها داخل الغلاف الجوي للأرض أثناء العواصف الرعدية.

ومضات أشعة جاما الأرضية هي أحداث قصيرة العمر للغاية، تستمر عادةً لبضع مللي ثانية فقط. إنها قوية جدًا أيضًا، حيث يمكن أن تصل طاقتها إلى مليارات الإلكترون فولت. فما الذي يسبب ومضات أشعة جاما الأرضية؟ لا يزال العلماء غير متأكدين من الإجابة، ولكن هناك عدد من النظريات المحتملة. إذن، فما هي أهمية ومضات أشعة جاما الأرضية؟ لا تزال العلوم تدرس هذه الظاهرة، ولكن هناك عددًا من الإمكانات المحتملة أيضًا. على سبيل المثال، يمكن استخدام ومضات أشعة جاما الأرضية لدراسة كيفية عمل العواصف الرعدية، ويمكن أن تساعدنا أيضًا على فهم المزيد عن الإشعاع الكوني.

في السنوات الأخيرة، بذلت الجهود لدراسة ومضات أشعة جاما الأرضية بشكل أكبر. وتم إطلاق العديد من المهمات الفضائية لدراسة هذه الظاهرة، كما تم تطوير تقنيات جديدة للكشف عن ومضات أشعة جاما الأرضية. ومع استمرار البحث في ومضات أشعة جاما الأرضية، نتعلم المزيد عن هذه الظاهرة الغريبة والمذهلة. فهل أنت مستعد لمعرفة المزيد عن ومضات أشعة جاما الأرضية؟

رصد محير بالقرب من الأرض

في عام 1991، أدرك “فيشمان” من مركز ناسا مارشال لرحلات الفضاء، بواسطة المرصد الجديد “كومبتون” أن هناك شيئا غريبا يحدث. المرصد كومبتون المطلق إلي مدار الكرة الأرضية من سفينة الفضاء أتلانتس مصمم للكشف عن أشعة جاما المنبعثة من الأجسام الفيزيائية الفلكية البعيدة. كتلك التي تنبعث من النجوم النيترونية وبقايا النجم المستعر. وقد نجح المرصد بالفعل في تسجيل انفجارات ساطعة طولها ملِلي ثانية من أشعة جاما، ولكن هذه المرة -على غير العادة- تأتي الآشعة من الأسفل، أي من الأرض، وليست من الفضاء الخارجي!

مثلت تلك الحادثة صدمة لعلماء الفيزياء الفلكية. فلقد اعتقد علماء الفيزياء الفلكية أن الظواهر الغريبة مثل التوهجات الشمسية والثقوب السوداء والنجوم المتفجرة تسرع الإلكترونات وغيرها من الجسيمات إلي طاقات عالية للغاية. ومن ثم تستطيع هذه الجسيمات الفائقة الشحن بث أشعة جاما، وهي الفوتونات الأكثر طاقة في الطبيعة. وفي الأحداث الفيزيائية الفلكية، تتسارع الجزيئات خلال الحركة الحرة -أو الحرة تقريبا- في الفراغ. فكيف إذن, تستطيع الجزيئات في الغلاف الجوي للأرض من فعل الشئ نفسه ؟ [3]

قادت البيانات الأولية إلي الاعتقاد مبدئيا أن ما يدعى بومضات أشعة جاما الأرضية قد نشأت على ارتفاع 40 ميلا فوق السحب. والمدهش أنها تنبعث على ارتفاع أقل من مكان نشأتها بكثير بواسطة التفريغ الكهربائي داخل السحب الرعدية المتنوعة. وخلال ذلك، تسعى الكثير من النظريات المتطورة إلى تفسير أشعة جاما الأرضية تلك بما يتوافق مع المشاهدات. فمرة بعد أخري، تكشف التجارب عن طاقات كان يستحيل من قبل تخيل وجودها في الغلاف الجوي. وحتي المادة المضادة حققت ظهورا مفاجئا.

الشروع في وضع أولي التصورات

ظاهرة سبرايتس ( عفاريت البرق) Sprites

في البداية، تساءل العلماء عما إذا كانت لأشعة جاما علاقة بأعجوبة أخرى من عجائب الغلاف الجوي المكتشفة قبل سنوات قليلة فقط. إذ التقطت الكاميرات الموجهة فوق السحب الرعدية صورا ضوئية لومضات قصيرة لامعة من الضوء الأحمر على ارتفاع 50 ميلا فوق سطح الأرض وعلى مسافة عدة أميال، وكانت هذه الصور وكأنها لقنديل بحر عملاق. هي ليست قنديلًا بالطبع ولكن تفريغ كهربي، وسمي هذا التفريغ الكهربي المذهل تسمية غريبة وهي “سبرايتس” sprites العفاريت، ولأن سبرايتس تصل تقريبا إلى حدود الفضاء، فيبدو الأمر مقنعا أنها ربما هي من أطلق أشعة جاما، التي قد يراها مسبار ما يدور حول الأرض كمرصد كومبتون. [2]

بعد وقت قصير، قام الفيزيائيون النظريون بأولى المحاولات لشرح كيف يمكن لسبرايتس إنتاج أشعة جاما المرتبطة بالفضاء. ويعتقد أن سبرايتس هي عبارة عن تأثيرات جانبية للبرق الطبيعي الحادث في السحب على ارتفاع منخفض جدا. والبرق هو عبارة عن قناة موصلة كهربائيا، تفتح مؤقتا في الهواء، الذي يكون عازلا كهربائيا في تلك الحالة. وتحمل الصاعقة الإلكترونات بين مناطق الغلاف الجوي أو بين الغلاف الجوي والأرض، ويحدث هذا بسبب عدم اتزان الشحنات الكهربائية التي تنطلق بواسطة المجالات الكهربائية الناتجة، والتي يزيد فرق جهدها على 100 مليون فولت.

تصور جيوريفتش لومضات جاما بواسطة السحب الرعدية

إن الاندفاع العنيف للإلكترونات يعيد الاتزان الكهربائي جزئيا، مثلما يحدث عندما نشد سجادة من أحد أطرافها، فإنه غالبا ما يؤدي إلى نتوء باتجاه معاكس فى مكان آخر. أي أنه غالبا ما ينبثق عن التفريغ الكهربائي داخل السحب مجال كهربائي فى مكان آخر، بما فى ذلك سطح الأرض. حيث يمكن أن يؤدي لاحقا إلي برق صاعد من أسفل الغلاف الأيوني للأرض حيث قد تنشأ سبرايتس.

في عام 1992 استطاع “جيوريفيتش” من معهد ليبديف الفيزيائي فى موسكو ومعاونوه أن يبينوا أن المجالات الكهربائية الثانوية بالقرب من الغلاف الأيوني للأرض يمكن أن تنتج كما هائلا من الإلكترونات عالية الطاقة، والتي عند اصطدامها بالذرات، تنطلق منها فوتونات أشعة إكس ذات الطاقة العالية، بالإضافة إلى أشعة جاما، بالتوهج الأحمر المميز لظاهرة سبرايتس.

هذه الآلية التي جري افتراضها مستنتجة من قبل العالم “ويلسون” في عام 1920 الحائز على جائزة نوبل. وعند الطاقات الصغيرة، تتصرف الإلكترونات المندفعة كالبحارة المخمورين، حيث تتدافع من جزئ إلي آخر فاقدة طاقتها مع كل تصادم. أما عند الطاقات العالية، فتسير الإلكترونات فى خط مستقيم، مكتسبة طاقة عالية من المجال الكهربائي، مما يقلل من تأثير أي تصادم فى اضطراب مسارها وهكذا. و تختلف هذه النتيجة مع خبراتنا اليومية، حيث كلما أسرعنا فى الحركة، زادت معاناتنا مع القوة العكسية، تماما مثل ما يعانيه سائق دراجة بسبب مقاومة الهواء. [4]

تستطيع تلك الإلكترونات الهاربة التسارع إلي سرعة الضوء تقريبا وتسير إلي أميال قبل توقفها بدلا من المسافة الصغيرة التي يتحركها الإلكترون عادة فى الهواء. وقد أرجع فريق “جيوريفيتش” إلى أن اصطدام الإلكترون الهارب بجزيء الغاز فى الهواء، يمكنه من تحرير إلكترون آخر، ويتسارع هذا الإلكترون. والنتيجة تشبه تفاعل متسلسل، حيث تندفع الإلكترونات عالية الطاقة بشكل هائل وتتزايد لوغاريتميا مع المسافة المقطوعة فتقطع مسافات بعيدة مع امتداد المجال الكهربائي. وتأثير الاندفاع الهائل للإلكترونات طبقا لحسابات “جيوريفيتش”، من الممكن أن يزيد إنتاج أشعة إكس وأشعة جاما بمقادير مضاعفة. ويبدو هذا التصور لبرهة مقبولا بشدة بسبب قدرته على توحيد ظاهرتين جويتين منفصلتين، وهما ومضات أشعة جاما وظاهرة السبرايتس. ولكن كما سوف نري، اتضح أن الواقع أكثر تعقيدا.

مزاعم ربط أشعة جاما بظاهرة سبرايتس

خلال السنوات العديدة اللاحقة ابتداء من عام 1996، ظهرت العديد من الفرضيات الدقيقة للنظرية التي تصورت سبرايتس كاندفاعات هائلة من الإلكترونات منتجة أشعة جاما. ودليل واحد هو الذي دعم هذا النموذج الشبحي، وهو طيف الطاقة لأشعة جاما. فأشعة جاما ذات الطاقة العالية تسير مسافات أبعد في الهواء أكثر من الأشعة الأقل طاقة، ومن ثم فهي الأكثر احتمالا لفعل ذلك في الفضاء. وبحساب عدد فوتونات أشعة جاما التي تصل إلى سفينة الفضاء عند كل مستوى طاقة، يستطيع العلماء استنتاج ارتفاع مصدرها. وقد أشارت أولى اختبارات الطاقة لأشعة جاما، كما جرى رصدها بواسطة المرصد CGRO، إلى وجود مصدر على ارتفاع عال جدا، وهذا متناسق مع ظاهرة سبرايتس، ولكن في عام 2003، أخذت الأحداث منحى غير متوقع!

فخلال العمل في موقع أبحاث البرق في فلوريدا وقياس الانبعاثات من أشعة إكس التي تصل الأرض من برق الصاروخ المنطلق، اكتشف “وَير” -فيزيائي فلكي وأستاذ في معهد فلوريدا للتقانة- ومعاونوه ومضة لامعة من أشعة جاما تخرج من سحابة رعدية، ثم غمرت المنطقة من حولهم. هذا الوميض المسجل على الأجهزة شابه تماما إحدى ومضات أشعة جاما الأرضية التي اعتقد الجميع أنها نشأت عن مكان أكثر بعدًا، وذلك لأن الأشعة لها الطاقة نفسها والفترة الزمنية ذاتها، وهي نحو 0.3 مللي ثانية.

اعتقد الجميع أن هذه الومضات آتية من ارتفاعات عالية يتعذر رؤيتها من الأرض. وقد أوحى التشابه أنه ربما تكون الصواعق البرقية في داخل السحب الرعدية من المصادر المباشرة لأشعة جاما الواصلة إلى المرصد CGRO، ولكن في الوقت نفسه بدت الفكرة ضربا من الهوس. إذ يتعين أن يكون الضوء شديدا للغاية للحصول على أشعة جاما كافية للخروج إلى الفضاء عبر كل الغلاف الجوي.

مصور التحليل الطيفي RHESSI ودحض الادعاء

بعد وقت قصير، استطاعت تطورات أخرى إبطال المزاعم المرتبطة بين سبرايتس وأشعة جاما. ففي عام 2002 أطلقت ناسا NASA مصور التحليل الطيفي الشمسي العالي الطاقة RHESSI لدراسة أشعة إكس وأشعة جاما من الشمس، ولكن مجسات الجرمانيوم الكبيرة الخاصة بالمرصد RHESSI كانت ممتازة لقياس أشعة جاما القادمة من الغلاف الجوي بكفاءة عالية. وقام “سميث” -فيزيائي فلكي في جامعة كاليفورنيا ضمن فريق المرصد RHESS- بتوظيف “أ.لوبيز” التي كانت حينئذ طالبة في المرحلة الجامعية الأولى بجامعة كاليفورنيا، لتنظر في سيل البيانات المسجلة من قبل المرصد RHESSI لسنوات، بحثا عن أي دليل لأشعة جاما المنبعثة من ارتفاعات منخفضة من الأرض.

وفي هذا الوقت، كان يُعتقد أن ومضات أشعة جاما الأرضية نادرة جدا، ولكن كان الحظ حليف لوپیز التي صادفت اكتشافا نفيسا. كان المرصد RHESSI يسجل ومضة مرة كل بضعة أيام أكثر بعشر مرات من المعدل الذي جرى رصده من قبل المرصد CGRO. لقد قاس المرصد RHESSI طاقات فوتونات أشعة جاما في كل ومضة بشكل أفضل بكثير مما فعله مرصد CGRO. ويبدو طيف أشعة جاما الضوئي مماثلا تماما لما هو متوقع من الإلكترونات الهاربة. وبمقارنة تلك القياسات بالقياسات النظرية المتوقعة، استُنتِج أن أشعة جاما مرت عبر الكثير من الهواء، ومن ثم يجب أن تكون قد نشأت عن ارتفاع  تقريبي يتراوح بين تسعة أميال وثلاثة عشر ميلا، وهي مسافة مساوية تماما لأعالي العواصف الرعدية ولكنها أقل بكثير من ارتفاع الخمسين ميلا حيث توجد ظاهرة سبرايتس.

تجمعت سريعا أدلة مستقلة إضافية تؤيد منشـأ الارتفاع المنخفض لأشعة جاما. وأوضحت القياسات الإشعاعية التي أجريت بواسطة “کومر” -من جامعة ديوك- للبرق المرتبط ببعض سجلات المرصد RHESSI أن هذه الومضات البرقية أضعف بكثير مما يتطلب لعمل ظاهرة سبرايتس. وتبدو خريطة المرصد RHESSI لومضات أشعة جاما حول العالم مشابهة تماما للبرق الطبيعي، الذي يتركز في المناطق الاستوائية وأقل بكثير من محاولات مقاربتها بخريطة ظاهرة سبرايتس، التي تتجمع غالبًا على ارتفاعات أعلى من السهول العظمى بالولايات المتحدة الأمريكية.

حجة تعيد الشكوك

بقيت حجة واحدة لتفضيل ظاهرة سبرايتس كمنشأ، وهي أن طيف الطاقة طبقا لأرصاد CGRO يشير إلى مصدر عالي الارتفاع. يتفق ذلك أكثر مع ظاهرة سبرايتس عن العواصف الرعدية. فقد بدأ الكثيرون في الاعتقاد بأن من المحتمل وجود نوعين من ومضات أشعة جاما، منخفضة وعالية الارتفاع، ولكن التأكيد النهائي لفكرة سبرايتس جاءت عندما أدركنا أن ومضات أشعة جاما الأرضية كانت أكثر إضاءة مما كان يعتقد سابقا.

في الواقع، أثناء العمل فيما بعد مع طالب دراسات عليا  “جريفينستيت” في عام 2008، وجد أن هذه الومضات كانت شديدة السطوع حتى إن المرصد CGRO كان معمى جزئيا بسببها، ولم يستطع قياس الشدة الكلية الحقيقية لها. هذا التشبع أثّر أيضا في المرصد RHESSI ولكن بدرجة أقل. وعندما أعاد الباحثون في جامعة بيركن بالنرويج تحليل البيانات في عام 2010، وجدوا أن بعد أخذ تشبع أجهزة الرصد في الاعتبار، قد جعل النتائج متوافقة مع المصادر الأقل ارتفاعًا. وبعد أقل من سنتين، هبط الارتفاع المزعوم في البيانات المسجلة لومضات جاما أكثر من 30 ميلا. [6]

مسببات المادة المضادة

إذا كانت سبرايتس ليست هي المسؤولة عن إنتاج ومضات أشعة كاما، فمن المسؤول إذن؟ وهل العملية لا تزال تتضمن الاندفاعات العنيفة للإلكترونات الهاربة؟ لقد ثبت في النهاية أن طريقة الاندفاعات العنيفة للإلكترونات، كما تمت صياغتها وتصويرها بواسطة “جيوريفيتش” ومعاونيه، مع أنها شديدة الطاقة لتفعل أي شيء مع سبرايتس، لكنها ليست قوية لدرجة تكفي لتوليد الإضاءات الكبيرة المرئية بواسطة المرصد RHESSI أو عن طريق التحليلات الجديدة لبيانات المرصد CGRO. كما أن الحسابات التي أجريت من قبل “وَير” قد أوضحت أن طريقة الاندفاعات الشديدة للإلكترونات العالية الطاقة جدا تستطيع إطلاق طاقة أكبر بتريليونات المرات أكثر مما نتصور. وتستطيع عمل الشيء نفسه داخل سحابة رعدية، والمذهل أن هذه الطريقة تتضمن وبكل تأكيد إنتاج الكثير من المادة المضادة.

وإذا كان المجال الكهربائي داخل السحب الرعدية قويا بالقدر الكافي، فإن الإلكترونات الهاربة – المفترض تكونها بطريقة ما – تتسارع إلى سرعة الضوء تقريبا، فعندما تلتقي الذرات في جزيئات الهواء، فسوف تبعث أشعة جاما. وبالتبعية، فإن فوتونات أشعة جاما تستطيع التصادم بنوى الذرات لإنتاج زوج من الجزيئات: إلكترونات ومضاداتها التوائم “بوزيترونات“. فالبوزيترونات سوف تندفع أيضا، مكتسبة طاقة المجال الكهربائي. ولكن بينما تندفع الإلكترونات إلى الأعلى فإن البوزيترونات التي تحوي شحنة معاكسة سوف تندفع إلى الأسفل. وعندما تصل البوزيترونات إلى أسفل المجال الكهربائي، سوف تصطدم بذرات الهواء فتنتج منها إلكترونات جديدة تندفع إلى الأعلى مرة أخرى.

آلية الاسترجاع النسبي للتفريغ الكهربائي

 بهذه الطريقة، فإن الإلكترونات الصاعدة سوف تنتج بوزيترونات متجهة إلى الأسفل والتي بالتبعية سوف تنتج إلكترونات أكثر صعودا إلى الأعلى وهكذا. وإذا كان اندفاع واحد للإلكترونات يؤدي إلى إنتاج العديد منها، فإن التفريغ الكهربائي سوف ينتشر سريعا فوق مساحة واسعة للسحابة الرعدية، تصل في اتساعها إلى أميال عديدة. والأعداد المتنبأ بها بهذا النموذج – يسمى نموذج التفريغ الكهربائي الاسترجاعي النسبي – تتلاءم تماما مع الشدة والفترة الزمنية وطيف الطاقة لأشعة جاما، كما جرى رصدها بالمرصدين CGRO و RHESSI.

يشبه الاسترجاع  الإيجابي من البوزيترونات الصوت المزعج الذي نحصل عليه عند الإمساك بالميكروفون من فوق سماعة. وهذا المنطق هو وراء تفسير آخر محتمل وإن لم يجر التحقق منه رياضياتيا بشكل كامل بعد، وهو أن هذه الومضات من أشعة جاما هى النسخة الأكثر طاقة من أشعة إكس المنبعثة بواسطة البرق عند اقترابه من الأرض.

لسنوات عديدة، قام الباحثون في معهد فلوريدا ومعهد نيومكسيكو للتعدين والتقانة بقياس أشعة إكس هذه، سواء تلك الناتجة من البرق الذي ينبعث صناعيًا من إطلاق الصواريخ أو من البرق الطبيعي الذي يضرب الأرض. وقد أوضحت أفلام أشعة إكس من كاميرا أشعة إكس السريعة في ولاية فلوريدا أن الانفجارات تنبثق من قمة قناة البرق خلال سريانها من السحب إلى الأرض. ويعتقد معظم العلماء أن أشعة إكس تتولد عن طريق الإلكترونات الهاربة، المعجلة بواسطة المجالات الكهربائية القوية أمام البرق. وربما لأسباب لم تعرف بعد، فإن البرق الذي يتحرك في المجال الكهربائي داخل السحب الرعدية يقوم بوظيفة أفضل لإنتاج هذه الإلكترونات الهاربة. إذا صحت هذه الفكرة، فإن الومضات المرصودة من سفينة فضاء على بعد مئات الأميال ربما تكون مجرد نوع – مكبر ببعض الطرق غير المعروفة بعد – من أشعة إكس المتولدة من البرق والتي جري رؤيتها على الأرض بواسطة مجسات على بعد مئات الأقدام من الصاعقة.

اكتشاف من الصحراء الكبري علي حين غرة

مع نهاية عام 2005 كان “سميث” ومعاونوه واثقين من أن معظم ومضات أشعه جاما الأرضية تنشأ من داخل أو قريبا من أعالي السحب الرعدية، بغض النظر عما إذا كانت المادة المضادة أو سهام البرق المقوى متضمنة معها. وقبل أن يتقبلوا هذا الطرح بشغف، ظهر شيء وضع فهمهم محل تساؤل من جديد. إذ أن إحدى الظواهر المرصودة من المرصد RHESSI كانت دويا شديدا في وسط الصحراء الكبرى في أواسط إفريقيا Sahara Desert في يوم مشمس ومن دون سحب رعدية في المشهد!

قضي “سميث” وطلبته شهورا يناضلون على تفسير هذا الحدث. تشكلت السحب الرعدية هذا اليوم بالفعل، ولكن ليس في المكان الذي كانت تبحث فيه السفينة الفضائية. كانت السحب الرعدية على بعد آلاف الأميال إلى الجنوب، على الأفق من المرصد RHESSI. ولكن يجب أن تسير أشعة جاما لهذه السحب كجميع أشكال الضوء في خط مستقيم، لكنها لم تصل إلى السفينة الفضائية.

ومن ناحية أخرى، يجب أن تسير الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات طبيعيا في مسارات منحنية ملتفة حلزونيا حول الخطوط المنحنية للمجال المغنطيسي للأرض. وقد كانت العواصف الرعدية موجودة تماما على الطرف الآخر لخط المجال المغنطيسي المار بالسفينة الفضائية، وتستطيع الإلكترونات التي وصلت إلى ارتفاعات عالية جدا السير حول الكوكب والاصطدام في مجسات المرصد RHESSI، مكونة في هذه العملية أشعة جاما. ومع ذلك،  يبدو من المستحيل على الإلكترونات المتحررة داخل سحابة رعدية عمل ذلك خلال الكثير من الأميال في الغلاف الجوي إلى هذا الارتفاع في الفضاء حيث تسير حول خطوط المجال. وقد بدت تلك الملاحظة الجديدة بأنها تحتاج إلى مصدر عالي الارتفاع.

تيليسكوب فيرمي

وفي عام 2011 لاحظ تليسكوب فيرمي FERMI الفضائي لأشعة جاما العديد من هذه الأشعة التي تدور حول الكوكب محققا بذلك اكتشافا مذهلا، وهو أن جزءا كبيرا من الأشعة يتكون من بوزيترونات. وهكذا فإنه يبدو أن الظواهر الجوية لا تستطيع فقط إطلاق إلكترونات وأشعة جاما إلى الفضاء وإنما أيضا جزيئات المادة المضادة. وبإدراك متأخر، كان يجب أن يُتوقع رؤية هذه البوزيترونات نظرا لمدى طاقة أشعة جاما. ومع ذلك إذا أخذنا بعين الاعتبار كم هو غريب ملاحظة المادة المضادة في الطبيعة، فإن ما اكتشفه تليسكوب فيرمي كان مذهلا. [5]

إن تفسير مشاهدات الصحراء الكبرى، الذي أدركه فريق “سميث” عاجلا، لم يكن أن أشعة جاما قد جاءت من ارتفاع عال، وإنما على الأرجح أنها نتجت داخل السحب الرعدية بأعداد هائلة أكثر مما كان متوقعا. واصطدم البعض المتجه منها إلى الفضاء بجزيئات الهواء العَرَضية على ارتفاع يتجاوز الـ25 ميلا تقريبا منتجة أزواجا  ثانوية من الإلكترونات والبوزيترونات التي تركب عندئذ خطوط المجال المغنطيسي حول الأرض. وفي المرة القادمة عندما ترى سحابة رعدية طويلة، توقف لتتذكر أنها قادرة على أن تطلق إلى الفضاء جزيئات عالية الطاقة يمكن كشفها على الجانب الآخر من الكوكب.

الطيران مباشرة داخل السحب الرعدية

 إن الحسابات الأولية توضح أنه إذا ما حدث أن اصطدمت رحلة خطوط طيران مباشرة بإلكترونات عالية الطاقة وأشعة جاما داخل عاصفة رعدية، فإن الركاب وأعضاء طاقم الطائرة – من دون الشعور بأي شيء – من الممكن أن يتلقوا جرعة إشعاعية في جزء من الثانية تصل إلى الجرعة الإشعاعية الطبيعية التي يمكن أن يتعرض لها المرء طوال حياته. لكن من الأخبار الحسنة أننا لا نحتاج إلى تحذير الطيارين للبقاء بعيدا عن العواصف الرعدية، لأنهم يفعلون ذلك بالفعل. فالعواصف الرعدية هي أماكن يكون الوجود فيها شديد الخطورة سواءًا في وجود أشعة جاما أو غيابها.

إلى حد ما، استكملت دراسة ومضات أشعة جاما الأرضية عمل “بنجامين فرانكلين”، الذي يزعم أنه أرسل طائرة ورقية إلى سحابة رعدية لرؤية مدى إمكانية توصيلها للكهرباء. ومن ثم أوضح فرانكلين منذ قرون أن البرق هو عبارة عن تفريغ كهربائي، والمفاجأة أنه وبعد قرنين ونصف من تجربته للطائرة الورقية، لا يزال لدى العلماء فهم غير كامل، ليس فقط حول كيفية تكوّن ومضات أشعة جاما بواسطة السحب الرعدية بل وحتى تكون البرق البسيط.

المصادر

1- GAMMA Rays

2-Sprite (Lightning)

3-Discovery of Intense Gamma-Ray Flashes of Atmospheric Origin

4-Runaway Breakdown and the Mysteries of Lightning

5-Electron-Positron beams from terrestrial lightning observed with Fermi GBM

6-Thunderclouds Make Gamma Rays—and Shoot Out Antimatter, Too

Show affiliations

نشأة سفيان تايه

وُلد سفيان عبد الرحمن عثمان تايه وكنيته أبو أسامة؛ في أغسطس 1971 في مخيم جباليا شمال قطاع غزة. تلقى تعليمه المدرسي في مدارس وكالة الأونروا بالمخيم. التحق بقسم الفيزياء بالجامعة الإسلامية وتخرج في عام 1994 ليصبح معيدًا في العام نفسه. 

تعليمه

سجل للدكتوراة في عام 2004 وحصل عليها من جامعة عين شمس في مصر عام  2007. عمل أستاذًا مساعدًا في قسم الفيزياء بالجامعة الإسلامية بغزة في الفترة بين 2008 و2013، ثم أصبح أستاذًا مشاركًا في الفيزياء من 2013 إلى 2018، ثم أستاذًا متفرغًا للفيزياء النظرية في تخصص الإلكترونيات الضوئية بالقسم. كما عمل مساعدًا لنائب رئيس الجامعة للشئون الأكاديمية لعدة سنوات. قرر مجلس أمناء الجامعة الإسلامية بقطاع غزة مع مطلع العام الدراسي في 2023 تعيين الأستاذ الدكتور سفيان عبد الرحمن تايه رئيسًا للجامعة الإسلامية خلفًا للأستاذ الدكتور ناصر إسماعيل فرحات.

«أدركت منذ أولى لحظاتي في الجامعة الإسلامية أن مهمة الجامعة لا تقتصر على التدريس وتخريج الأجيال، وإنما تضطلع بثلاث مهام رئيسية وهي البحث العلمي وخدمة المجتمع ثم التدريس. يحل التدريس ثالثًا وليس مهمة أساسية، فالمهمة الرئيسية هي البحث العلمي.»

سفيان تايه

امتنان ورسالة

عزى تايه الفضل في مسيرته إلى الفريق البحثي التابع لقسم الفيزياء في الجامعة الإسلامية. ركزت اهتماماته البحثية على مجالات البصريات المتكاملة لتطبيقات أجهزة الاستشعار، والأدلة الموجية، والقياس الإهليلجي، والصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء (OLEDs)، والتقنيات الرقمية، والبصريات غير الخطية، وتطبيقات البلورات الفوتونية. نشر قرابة 150 دراسة في مجلات دولية محكمة. كما شارك في العديد من المؤتمرات الدولية والمحلية. وقد بلغت اقتباسات أبحاث تايه 3721 اقتباسًا وحصل على 33 على مؤشر إتش H index (المستخدم لقياس الانتاجية والتأثير الانتشاري للباحث أو المؤلف) و 116 على مؤشر آي تن. [1][2]

احتفاء دولي

مُنح سفيان تايه جائزة عبد الحميد شومان للباحثين العرب الشبان في الأردن عام 2012. كما مُنح جائزة البنك الإسلامي الفلسطيني للبحث العلمي لعام 2019 و2020. وأعلنت عمادة البحث العلمي والدراسات العليا في الجامعة الإسلامية اسمه، في 3 مارس 2022، ضمن الفائزين بجائزة الجامعة للبحث العلمي للعام 2021.
وقع الاختيار على تايه، الذي ترأس أكبر جامعة في غزة، ليكون ضمن أفضل 2% من الباحثين حول العالم بناءً على دراسة أجرتها دار النشر العالمية إلسفير وجامعة ستانفورد في الولايات المتحدة في أغسطس 2021. كما عُين حاملًا لكرسي منظمة الأمم المتحدة للتربية والعلوم والثقافة «اليونسكو» لعلوم الفلك والفيزياء الفلكية وعلوم الفضاء منذ 28 مارس 2023، بعد تجديد الجامعة الإسلامية في غزة وجامعة الأزهر والأقصى الاتفاقية الموقعة مع المنظمة. [3] 

عطاء لا ينقطع

واصل تايه نشر الأبحاث حتى أثناء القصف المستمر على غزة، إذ نشر عدة أبحاث في خضم الحرب في شهري أكتوبر ونوفمبر:

• نشر في أكتوبر 2023 دراسة بعنوان «التحليل العددي للمستشعر الحيوي المبني على ألياف البلورات الفوتونية للكشف عن بكتيريا ضمة الكوليرا والإشريكية القولونية في نظام التيراهرتز» (Numerical Analysis of a Photonic Crystal Fiber‐Based Biosensor for the Detection of Vibrio cholera and Escherichia coli Bacteria in the THz Regime) ودراسة بعنوان «خصائص الامتصاص لبلورة فوتونية ثنائية معيبة تتكون من مادة فائقة وثاني أكسيد السيليكون وورقتين من الجرافين» (Absorption Properties of a Defective Binary Photonic Crystal Consisting of a Metamaterial, SiO2, and Two Graphene Sheets) وأخرى بعنوان «تصميم متعدد الطبقات من التيتانيوم والسيليكون لامتصاص الطاقة الشمسية على أساس مادة التنغستن لتحويل الطاقة الحرارية الشمسية» (Multi-layered Ti–Si solar absorber design based on tungsten material for solar thermal energy conversion)
• نشر في نوفمبر 2023 دراسة بعنوان «الكشف المباشر عن الدوبامين باستخدام مستشعر رنين البلازمون السطحي المعتمد على أسلاك أكسيد الزنك» (Direct detection of dopamine using zinc oxide nanowire-based surface plasmon resonance sensor)

يبرز من أبحاث تايه انشغاله بتطبيقات الفيزياء في المجالات الطبية للدمج بين المجالين، فيقول معلقًا على اختياره ضمن الباحثين البارزين دوليًا: «أعد تصنيفي وتصنيف أخي الدكتور بسام نقطة إيجابية في سبيل الرقي بجامعتنا»

عائلة علمية مميزة

يعمل بسام تايه -شقيق سفيان- أستاذًا متفرغًا في الجامعة الإسلامية بغزة في فلسطين، ونائبًا لعميد البحث العلمي والدراسات العليا. تتلخص اهتماماته البحثية في مجال البناء والتشييد. صُنف وفقًا لتقرير جامعة ستانفورد لشهر أكتوبر 2021 ضمن أفضل 2% من الباحثين عالميًا في مجال البناء والتشييد. حصل على الدكتوراه من جامعة العلوم الماليزية. وشغل منصب مدير مركز «إيوان» للتراث الثقافي في الجامعة الإسلامية بغزة منذ عام 2015 حتى الآن. اهتم بمجالات الاستفادة من خرسانة الألياف فائقة الأداء (UHPFC) ومواد البناء الصديقة للبيئة. شارك في عدة أبحاث حول إعادة استخدام النفايات الصناعية باستبدال الأسمنت أو غيره من محتويات الخرسانة لإنتاج خرسانة صديقة للبيئة. [4]

مقتل سفيان تايه

صرحت وزارة التعليم العالي الفلسطينية، يوم السبت الموافق 2 ديسمبر، إن هجومًا إسرائيليًا على الفالوجة شمال قطاع غزة، وغرب مخيم جباليا، أسفر عن استشهاد سفيان تايه وعائلته. جاء ذلك في أعقاب الحرب التي شنتها إسرائيل على القطاع ردًا على عملية طوفان الأقصى التي بدأت في 7 أكتوبر 2023. [5]

علماء آخرون قتلهم الاحتلال

لم تفرق القذائف بين امرأة وطفل، فكيف بها أمام علماء القطاع البارزين؟ تسبب القصف الإسرائيلي في العدوان الأخير على غزة في مقتل عدد من العلماء والأكاديميين وهم كالتالي:

• قتل الاحتلال الشاعر والأكاديمي رفعت العرعير وهو أبرز الناطقين باسم القضية باللغة الإنجليزية. حصل العرعير على الدكتوراه في الأدب الإنجليزي من جامعة بوترا في ماليزيا. كان أول من أطلق عبارة «نحن لسنا أرقامًا».
• استهدف الاحتلال محمد شبير، أستاذ الأحياء الدقيقة في الجامعة الإسلامية بغزة. ترأس شبير الجامعة ل12 عامًا، أسس فيها قسم العلوم الطبية المخبرية وأسهم في افتتاح برنامج ماجستير التحاليل الطبية.

• أودت غارة جوية إسرائيلية بحياة سعيد طلال الدهشان، الخبير في القانون الدولي والشأن الفلسطيني، وارتقى مؤلف كتاب «كيف نقاضي إسرائيل» مع أسرته.

• قتلت إسرائيل إبراهيم الأسطل، عميد كلية التربية في الجامعة الإسلامية، مع عائلته بالكامل. وقد حصل الأسطل على درجة أستاذ منذ 2015 وله مؤلفات في طرق التدريس.
• ارتقى تيسير إبراهيم، الذي وُصف بأنه «رئيس القضاء الحركي»، وهو العميد الأسبق لكلية الشريعة والقانون في الجامعة الإسلامية، إثر غارة إسرائيلية على مخيم النصيرات وسط القطاع.
• قُتل مدحت صيدم، شيخ الجراحين، بغارة جوية استهدفت منزله وارتقت معها العائلة بأكملها. كان جراحًا مخضرمًا في مستشفى الشفاء. وأُطلق عليه لقب «طبيب المهام الصعبة» وتدرب على يديه العديد من الأطباء الشباب.

نرى كيف يستهدف الاحتلال قامات المجتمع الفلسطيني وأعلامه، مغيِّبًا عن المنطقة العربية والعالم أجمع أمهر الباحثين والأكاديميين. ننعي شهداء وُضعوا على قائمة الأهداف غير المعلنة. طالما كانت الاغتيالات ديدن المحتل لوقف الإنتاج العلمي والثقافي للشعب الفلسطيني صاحب الأرض وتبديد روايته.

المصادر

1- ResearchGate

2- Google Scholar

3- UNESCO

4- Google Scholar

5- Reuters

علي جزيرة سردينيا -والتي تعد أكثر المناطق استقرارًا في البحر الأبيض المتوسط إلى عمق 110 أمتار تحت الأرض- يقودنا الظلام الدامس عبر نفق ضيق نحو غرفة حيث تسجل أجهزة قياس الزلازل الحركات الدقيقة للأرض المحيطة. ويظهر على الجانب الأيسر من هذا النفق كهف. حيث اختاره الفيزيائيون لإنشاء تجربة أرخميدس التي تتطلب عزلة شديدة عن البيئة الخارجية للتحقيق في أسوأ تنبؤ نظري في تاريخ الفيزياء – مقدار الطاقة في الفضاء الفارغ الذي يملأ الكون. أو بالمعنى الأصح، لقياس كتلة الفراغ ، فما هي تجربة أرخميدس؟ ولماذا سميت بتلك الاسم؟ وما الهدف منها؟

ما هو الفراغ؟

الفراغ في الفيزياء هو مفهوم مهم يُشير إلى المنطقة التي تفتقر إلى المادة. يمكن وصف الفراغ ببساطة على أنه المنطقة الخالية تمامًا من المادة والذرات. على الرغم من أن الفراغ قد يبدو فارغًا تمامًا بالنسبة لنا، إلا أنه يحمل مفاهيم معقدة وأثر كبير على العلوم الفيزيائية. و هناك نوعان رئيسيان من الفراغ في الفيزياء:

1. الفراغ الكلاسيكي

 يعتبر الفراغ الكلاسيكي هو الفراغ الذي نتخيله بشكل عام، حيث يُفترض أنه ليس فيه أي شيء. ومع ذلك، في الفيزياء الكلاسيكية، تمثل الفكرة الأساسية للفراغ الكلاسيكي الفراغ الذي يحتوي على مجموعة من الحقول المتعلقة بالمجالات الفيزيائية مثل الجاذبية والكهرومغناطيسية. هذه الحقول تكون موجودة حتى في الفراغ الكلاسيكي ويمكن أن تنتقل عبره.

2. الفراغ الكمومي

 في الفيزياء الكمومية، ندرك أن الفراغ ليس بالضرورة خاليًا من أي شيء. بالعكس، الفراغ الكمومي يمكن أن يكون مليئاً بتذبذبات وجسيمات صغيرة تنشأ على مستوى الكم. هذه التذبذبات والجسيمات الظاهرية تسمى “الجسيمات الافتراضية”، وتنشأ بموجب مبدأ عدم اليقين. في الفراغ الكمومي، يمكن للجسيمات الافتراضية أن تظهر وتختفي دون سبب ظاهر، وهذا ما يعكس مبدأ عدم اليقين في الفيزياء الكمومية. [1]

بالإضافة إلى الفراغ الكمومي والكلاسيكي، هناك العديد من النظريات والمفاهيم الأخرى التي تتعلق بالفراغ في الفيزياء مثل مفهوم الطاقة المظلمة والفراغ الفضائي في نظرية النسبية الخاصة والعامة. يجد العلماء أن الفراغ هو مفهوم معقد يمكن أن يؤثر على الكون ويشكل جزءًا مهمًا من البحث والاستكشاف في الفيزياء الحديثة.

الجسيمات الافتراضية والتذبذبات الكمومية

لنتخيل الفراغ كما لو أنه ليس فعلا فارغًا بالمعنى التقليدي الذي نستخدمه في حياتنا اليومية. ولكنه بيئة دقيقة مليئة بالنشاط والحركة على المستوى الأدنى. في هذا الفراغ الكمومي، ينشأ اهتزاز وحركة دائمة لجسيمات صغيرة جداً تعرف بـ “الجسيمات الافتراضية”، والتي يفترض وجودها بناءً على مبادئ الفيزياء الكمومية. فلو كنت تراقب هذا الجو الكمومي بعين مكبرة، ستلاحظ وجود حركة مستمرة لهذه الجسيمات الافتراضية. لكن عندما تحاول أن تلتقط إحداها أو تقيس موقعها أو سرعتها بدقة، ستجد نفسك في مواجهة مفهوم عدم اليقين الكمومي. هذا يعني أنه لا يمكنك أبدًا معرفة مكانها بدقة تامة في أي لحظة معينة، فقد تكون هنا أو هناك أو في أي مكان آخر في نفس الوقت!

 يمكن للباحثين حساب طاقة الفراغ بطريقتين. حيث يمكنهم استخدام معادلات ألبرت أينشتاين في النسبية العامة لحساب مقدار الطاقة اللازمة لتفسير حقيقة أن الكون يتوسع بمعدل متسارع. ويمكنهم أيضًا العمل من الأسفل إلى الأعلى، باستخدام نظرية المجال الكمي للتنبؤ بالقيمة بناءً على كتل جميع “الجسيمات الافتراضية” التي يمكن أن تنشأ لفترة وجيزة ثم تختفي في الفضاء “الفارغ”. تٌنتج هاتان الطريقتان أرقامًا تختلف بأكثر من 120 مرة (1 متبوعًا بـ 120 صفرًا). حيث يعتبر هذا تناقض سخيف إلى حد محرج وله آثار مهمة على فهمنا لتوسع الكون، وحتى مصيره النهائي. ولمعرفة أين يكمن الخطأ، يقوم العلماء بنقل غرفة مفرغة أسطوانية يبلغ طولها مترين ومعدات أخرى إلى منجم قديم في سردينيا، حيث يحاولون إنشاء فراغ خاص بهم ووزن “اللاشيء”_ كتلة الفراغ _ بداخله.

كيف يؤثر مبدأ عدم اليقين على فهمنا للعالم الصغير؟

ينص المبدأ على أنه لا يمكنك تحديد موضع الجسيم وسرعته في نفس الوقت بأي دقة. فكلما زادت دقة معرفتك لقيمة واحدة، قلّت قدرتك على معرفة القيمة الأخرى. وينطبق هذا المبدأ أيضًا على قياسات أخرى، مثل تلك التي تتضمن الطاقة والوقت. وهذا يعني أن الطبيعة يمكنها “استعارة” الطاقة لفترة زمنية قصيرة للغاية. هذه التغيرات في الطاقة، والمعروفة باسم تقلبات الفراغ Vacuum fluctuation، غالبا ما تأخذ شكل جسيمات افتراضية، والتي يمكن أن تظهر من العدم وتختفي مرة أخرى على الفور. [2]

يجب أن تحترم تقلبات الفراغ بعض القواعد. على سبيل المثال، لا يمكن لشحنة كهربائية واحدة أن تظهر فجأة في حالة عدم وجودها (فهذا من شأنه أن ينتهك قانون حفظ الطاقة). وهذا يعني أن الجسيمات المتعادلة كهربائيًا مثل الفوتونات فقط هي التي يمكنها الخروج من الفراغ من تلقاء نفسها. يجب أن تظهر الجسيمات المشحونة كهربائيًا مقترنة بمطابقاتها المضادة للجسيمات. على سبيل المثال، يمكن للإلكترون أن يظهر مع البوزيترون ذي الشحنة الموجبة؛ حيث تلغي الشحنتان بعضهما البعض للحفاظ على الشحنة الإجمالية صفر. والنتيجة هي أن الفراغ يمتلئ بشكل مستمر بتيار من الجسيمات قصيرة العمر.

تأثير كازيمير

وحتى لو لم نتمكن من التقاط هذه الجسيمات الافتراضية في أجهزة الكشف، فإن وجودها قابل للقياس. أحد الأمثلة على ذلك هو “تأثير كازيمير”، الذي تنبأ به الفيزيائي الهولندي هندريك كازيمير في عام 1948. ووفقا لحساباته، يجب أن تتجاذب لوحتان معدنيتان موجهتان ناحية بعضهما البعض في الفراغ، حتى من دون الأخذ في الاعتبار قوة الجاذبية الطفيفة التي يمارسها كل منهما على الآخر. ويرجع سبب ذلك التجاذب إلي الجسيمات الافتراضية.

إن وجود الصفائح يفرض حدودًا معينة يمكن أن تخرج عندها الجسيمات الافتراضية من الفراغ. فعلى سبيل المثال، لا يمكن للفوتونات (جسيمات الضوء) ذات طاقات معينة أن تظهر بين الألواح. وذلك لأن الصفائح المعدنية تعمل كالمرايا التي تعكس الفوتونات ذهابًا وإيابًا. وبالتالي، ستنتهي الفوتونات ذات الأطوال الموجية المحددة بتداخل قيعان الموجات مع قمم الموجات، مما يؤدي إلى إلغاء نفسها بشكل فعال. وسيتم تضخيم الأطوال الموجية الأخرى إذا تداخلت قمتي موجيتين. والنتيجة هي تفضيل طاقات معينة، وقمع طاقات أخرى كما لو أن تلك الفوتونات لم تكن موجودة أبدًا. وهذا يعني أن الجسيمات الافتراضية التي لها قيم طاقة معينة هي فقط التي يمكنها التواجد بين الصفائح. ولكن خارجها، يمكن لأي جسيمات افتراضية أن تظهر. [3]

والنتيجة هي أن هناك احتمالات أقل -وبالتالي عدد أقل من الجسيمات الافتراضية – بين الصفائح مقارنة بما حولها. و تمارس الوفرة النسبية للجسيمات في الخارج ضغطًا على الصفائح، مما يؤدي إلى ضغطها معًا. وهذا التأثير، رغم غرابته، قابل للقياس. وأكد الفيزيائي ستيفن لامورو هذه الظاهرة تجريبيا في جامعة واشنطن في عام 1997، بعد مرور 50 عاما تقريبا على تنبؤ كازيمير. ويأمل الفيزيائيون الآن في استخدام تأثير كازيمير لقياس كتلة الفراغ.

ولهذه الطاقة عواقب مهمة على الكون ككل. تخبرنا النسبية العامة أن الطاقة (على سبيل المثال، في شكل كتلة) تؤدي إلى انحناء الزمكان. وهذا يعني أن الجسيمات الافتراضية، التي تغير طاقة الفراغ لفترة قصيرة، لها تأثير على شكل الكون وتطوره. و عندما أصبح هذا الارتباط واضحًا لأول مرة، أمل علماء الكونيات أن يحل لغزًا كبيرًا في مجالهم، وهو قيمة الثابت الكوني، وهي طريقة أخرى لوصف طاقة و كتلة الفراغ في الفضاء.

تأثير الطاقة الفراغية على القوانين الكونية

الثابت الكوني

نشر أينشتاين نظريته النسبية العامة في عام 1915، لكنه سرعان ما أدرك أن لديه مشكلة. يبدو أن النظرية تتنبأ بتوسع الكون. لكن علماء الفلك في ذلك الوقت اعتقدوا أن كوننا كان ساكنًا، أي أن الفضاء له حجم ثابت وغير متغير. وبعد ثلاث سنوات من نشر النظرية، وجد أينشتاين أنه يستطيع إضافة مصطلح يسمى الثابت الكوني إلى معادلاته دون تغيير القوانين الأساسية للفيزياء. وبالنظر إلى القيمة الصحيحة، فإن هذا المصطلح سيضمن عدم توسع الكون أو انكماشه.

ومع ذلك، في عشرينيات القرن الماضي، استخدم عالم الفلك إدوين هابل أكبر تلسكوب في ذلك الوقت، تلسكوب هوكر في مرصد ماونت ويلسون في كاليفورنيا، لملاحظة أنه كلما كانت المجرة بعيدة عن الأرض، بدا أنها تنحسر بشكل أسرع. وكشف هذا الاتجاه أن الفضاء كان في الواقع يتوسع. وتجاهل حينها أينشتاين الثابت الكوني، ووصفه بأنه “حماقة”.

وبعد أكثر من نصف قرن، حدث تطور آخر. فمن خلال مراقبة المستعرات العظمي البعيدة، أثبت فريقان من الباحثين بشكل مستقل أن الكون لا يتوسع فحسب، بل إنه يفعل ذلك بمعدل متسارع. القوة التي تدفع الفضاء بعيدًا سُميت منذ ذلك الحين بالطاقة المظلمة. إنها بمثابة نوع من النظير للجاذبية، حيث تمنع جميع الأجسام الضخمة من الانهيار في نهاية المطاف في مكان واحد. ووفقا للتنبؤات النظرية، تمثل الطاقة المظلمة حوالي 68% من إجمالي الطاقة في الفضاء. عند هذه النقطة، عاد الثابت الكوني إلى الساحة كتفسير محتمل لهذا الشكل الغامض من الطاقة. ويعتقد أن الثابت الكوني بدوره يحصل على طاقته من الفراغ. [4]

في البداية، كان المجتمع العلمي سعيدًا، إذ بدا أن ثابت النسبية العامة هو نتيجة لطاقة الجسيمات الافتراضية في الفضاء الفارغ. لكن الفرحة لم تدم طويلا. عندما أجرى العلماء الحسابات، تبين أن طاقة الفراغ المستندة إلى نظرية المجال الكمي أكبر بكثير ( أكبر 120 مرة من حيث الحجم ) من قيمة الثابت الكوني المستمدة من قياس توسع الكون. وأفضل طريقة لحل هذا التناقض هي قياس الطاقة الموجودة في الفراغ مباشرة، عن طريق تقييم كتلة الفراغ . أي وزن الجسيمات الافتراضية.

تجربة أرخميدس لقياس طاقة الفراغ

ليست فراغ كما كان يعتقد

إذا كانت طاقة الفراغ المستمدة من نظرية الكم صحيحة، فلا بد أن هناك شيئًا ما يكبح تأثيرات هذه الطاقة على توسع الفضاء. لو كانت هذه القيمة هي القوة الحقيقية للطاقة المظلمة، لكان الفضاء يتضخم بشكل أسرع بكثير. ومن ناحية أخرى، إذا كانت القيمة المستمدة من علم الكونيات صحيحة، فإن الفيزيائيين يبالغون إلى حد كبير في تقدير مقدار الطاقة التي تساهم بها الجسيمات الافتراضية في الفراغ.

إن وجود تقلبات الفراغ والجسيمات الافتراضية قد تم قبوله على نطاق واسع على الأقل منذ ظهور تأثير كازيمير. كما أن القوة المتوقعة لنظرية الكم بالنسبة للتقلبات لا يمكن أن تختفي تمامًا، لأن التجارب المعملية تؤكد النظرية بدقة كبيرة. ولكن هل من الممكن أن الجسيمات الافتراضية لا تنجذب فعليًا بالطريقة التي نفكر بها، وبالتالي لا تؤثر على كتلة الفراغ كما نتوقع؟

حتى الآن لم يتم إجراء قياسات مباشرة لكيفية تصرف الجسيمات الافتراضية فيما يتعلق بالجاذبية. واقترح بعض العلماء أنها قد تتفاعل مع الجاذبية بشكل مختلف عن المادة العادية. على سبيل المثال، في عام 1996، قام الفيزيائيان ألكسندر كاجانوفيتش وإدواردو غندلمان من جامعة بن غوريون بوضع نموذج نظري لا يكون لتقلبات الفراغ فيه أي تأثير جاذبية. قد يكون هذا هو الحال إذا كانت هناك أبعاد إضافية تتجاوز الأبعاد الثلاثة المعتادة للمكان وواحدًا للزمان التي نعرفها. قد تؤدي هذه الأبعاد الخفية إلى تعديل سلوك الجاذبية على مقاييس صغيرة جدًا. ومع ذلك، لا يمكن تفسير الاختلافات الكتلية في النوى الذرية لعناصر مثل الألومنيوم والبلاتين إلا إذا ساهمت تقلبات كمية معينة _ كتلة الفراغ _ في وزنها. ولهذا السبب فإن العديد من علماء الفيزياء مقتنعون بأن الجسيمات الافتراضية تتفاعل مع الجاذبية تمامًا كما تفعل الجسيمات العادية. [5]

مخطط تجربة أرخميدس

للتحقق من أن الجسيمات الافتراضية تتفاعل مع الجاذبية مثل المادة العادية، يريد أعضاء فريق أرخميدس استخدام تأثير كازيمير لقياس كتلة الفراغ بميزان شعاع بسيط. سيوضع الميزان داخل حجرة مفرغة من الهواء، وهي عبارة عن حاوية أسطوانية تحتوي على “لا شيء”. وسيتم وضعها في عدة طبقات من العزل لإبقائها شديدة البرودة ومحمية من البيئة الخارجية. وهذه الطبقات، بدورها، ستستقر عميقًا داخل كهف سردينيا، لتحمي الجهاز الدقيق من كل تأثير محتمل للعالم الموجود فوق الأرض. هذه الحواجز ضرورية لأن العلماء يبحثون عن إشارة دقيقة، وهي الحركة الطفيفة للميزان عند تشغيل تأثير كازيمير، مما يؤدي إلى تغيير وزن مادة العينة عن طريق تغيير عدد الجسيمات الافتراضية بداخلها. [6]

في عام 1929، تساءل الفيزيائي ريتشارد تولمان عما إذا كان من الممكن وزن أشكال معينة من الطاقة (وركز على الحرارة). وبعد سبعة عقود فكر كالوني ( قائد مشروع أرخميدس) في دفع الفكرة إلى الأمام. بعد قراءة ورقة فنية كتبها الفيزيائي الراحل ستيفن واينبرغ. حيث تصور طريقة لقياس كتلة الفراغ باستخدام مبدأ أرخميدس، الذي ينص على أنه عندما يكون الجسم مغمورًا في السائل، فإنه يتعرض لقوة طفو لأعلى تساوي وزن السائل. إذا كانت الجسيمات الافتراضية لها وزن، فإن تجويف الصفائح المعدنية في الفراغ يجب أن يواجه قوة طفو. ويقوم التجويف بشكل أساسي بإزاحة الفراغ العادي، بجسيماته الافتراضية الوفيرة، بفراغ أخف يحتوي على عدد أقل من الجسيمات الافتراضية. وبالتالي فإن تحديد قوة الطفو، التي تعتمد على كثافة الجسيمات الافتراضية، سيكشف عن وزنها!

ولقياس هذه القوة داخل الأنبوب المفرغ، علق الباحثون عينتين مصنوعتين من مواد مختلفة من ميزان يبلغ طوله مترين وعرضه 1.50 متر، ويحفزون تأثير كازيمير داخل واحدة. و للقيام بذلك، قاموا بتسخين كلتا المادتين على فترات منتظمة بحوالي أربع درجات مئوية ثم تبريدهما مرة أخرى. يعد هذا الاختلاف في درجة الحرارة كافيًا لواحدة من العينات للتبديل ذهابًا وإيابًا بين مرحلة التوصيل الفائق (عندما تتدفق الكهرباء بحرية داخل المادة) ومرحلة عازلة (عندما لا يمكن للكهرباء التدفق بسهولة). أما المادة الأخرى فتظل دائمًا عازلًا.

مع تغير الموصلية في العينة الأولى، فإنها تعمل مثل النموذج الكلاسيكي المكون من لوحتين (تأثير كازيمير السابق ذكره)، ويختلف عدد الجسيمات الافتراضية المحتملة داخلها. وبالتالي فإن قوة الطفو تزداد وتنخفض بشكل دوري على الوزن الأول. من المفترض أن يؤدي هذا الاختلاف إلى تأرجح الميزان على فترات منتظمة، مثل الأرجوحة التي يجلس عليها طفلان.

أثناء التخطيط للتجربة، كان العلماء بحاجة إلى العثور على مادة مناسبة يمكن تسخينها وتبريدها بشكل منتظم وسريع، وتظهر تأثير كازيمير قويًا. وبعد النظر في عدة خيارات، اختار الفريق بلورات فائقة التوصيل تسمى النحاسات Cuprates. والعينات الناتجة عبارة عن أقراص يبلغ قطرها حوالي 10 سنتيمترات ولا يزيد سمكها عن عدة ملليمترات. حتى الآن، لم يثبت أحد أن تأثير كازيمير يعمل في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، لكن العلماء يراهنون على ذلك.

قام الباحثون بضبط الميزان بحيث يتم تعليقه بحرية في الفضاء داخل حجرته المفرغة، والتي سوف تبرد الجهاز بأكمله إلى أقل من 90 كلفن (أقل بقليل من -180 درجة مئوية). سيتم تعبئة الغرفة نفسها في حاويتين معدنيتين أكبر – علبة مملوءة بالنيتروجين السائل، داخل حاوية أخرى خالية من الهواء، والتي تعمل مثل (الترمس). ويبلغ ارتفاع الهيكل بأكمله حوالي ثلاثة أمتار وعرضه وعمقه ويزن عدة أطنان.

تكنولوجيا متقدمة للكشف عن القوة الصغيرة

بدأ كالوني العمل مع زملائه في عام 2002 لتطوير نموذج نظري لحساب قوة الطفو لمختلف النماذج التجريبية. ووجدوا أن القوة في تجربة واقعية ستكون حوالي 10-16 نيوتن. إن قياس مثل هذه القوة الصغيرة يشبه محاولة وزن الحمض النووي في الخلية. في الواقع، يمكن للتكنولوجيا المستخدمة في أجهزة كشف موجات الجاذبية اليوم، والتي رصدت هدفها لأول مرة في عام 2015، أن تساعد في الكشف عن إشارات الجاذبية الصغيرة التي تبحث عنها تجربة أرخميدس. شارك كالوني نفسه في بناء كاشف موجات الجاذبية الإيطالي VIRGO.

ولكي تكون تجربة أرخميدس قادرة على اكتشاف الانحرافات الصغيرة التي تسعى إليها، فإنها ستستخدم نظامين ليزر يشتركان في بعض أوجه التشابه مع إعدادات الليزر والمرايا داخل كاشفات موجات الجاذبية. الأول يقسم شعاع الليزر إلى قسمين عن طريق توجيهه من خلال مقسم الشعاع إلى طرفي المقياس، حيث ينعكسان بواسطة المرايا المرفقة. ثم يتم إعادة تجميع الحزم بواسطة المزيد من المرايا وتنتقل إلى الكاشف. إذا كان الشعاع متوازنًا، فإن الشعاعين سيسافران بنفس المسافة  تمامًا. إذا كانت الذراع مائلة قليلاً في اتجاه واحد، فإن الحزم ستغطي مسافات مختلفة. في هذه الحالة، ستلتقي قمم وقيعان موجات شعاع الليزر في جهاز القياس بطريقة متداخلة، مما ينتج عنه شدة مختلفة Different intensities. ويمكن لهذا النظام اكتشاف حتى أصغر الانحرافات عن التوازن.

تقوم مجموعة ثانية من أجهزة الليزر بقياس اتجاه الميل إذا كانت هناك حركة كبيرة. إن النموذج الأولي المبسط للتجربة، والذي يتم إجراؤه في درجة حرارة الغرفة، حساس بالفعل بشكل ملحوظ، وهو ما يبشر بالخير لأداء جهاز أرخميدس النهائي. ولكن حتى مع أنظمة القياس المتطورة هذه، فإن تنفيذ التجربة سيكون صعبًا ولحماية التوازن من العالم الخارجي، احتاج الفيزيائيون إلى موقع به أقل قدر ممكن من النشاط الزلزالي، ومن هنا جاءت سردينيا. الجزيرة لديها مزايا أخرى، فهي ليست مكتظة بالسكان، مما يبقي الضوضاء التي يسببها الإنسان منخفضة. كما أن لديها أكثر من 250 منجمًا مهجورًا، لم يعد الكثير منها قيد الاستخدام، وهو أمر جذاب نظرًا لوجود عدد أقل من الاهتزازات تحت الأرض ولأن درجة الحرارة داخل المنجم مستقرة بشكل خاص.

تم الانتهاء مؤخرًا من الإصدار النهائي لإعداد الميزان وشحنه إلى سردينيا. توجد غرفة الفراغ في موقع الاختبار، لكن غلافيها الخارجيين لا يزالان قيد الإنتاج. عندما يصل الغلافان، سيصبح الكهف جاهزًا، وسينقل العلماء النموذج بأكمله إلى هذه الغرفة المظلمة الموجودة تحت الأرض، ويبدأون في كشف النقاب عن مقدار كتلة الفراغ.

المصادر

1-Virtual Particles
2-Vacuum Fluctuations of Energy Density can lead to the observed Cosmological Constant
3-Science and technology of the Casimir effect
4-A new generation takes on cosmological effect
5-Relativity versus quantum mechanics: the battle for the universe
6-?How Much Does ‘Nothing’ Weigh

ذهبت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 إلى الفرنسي بيير أغوستيني والمجري النمساوي فيرينك كراوس والفرنسية آن لويلير وذلك عن إنجازهم في توليد نبضات قصيرة للضوء بسرعة الأوتوثانية. إنجاز العلماء الثلاثة سيفتح أمامنا أفق جديدة في فهم ما يحدث بداخل عالم الذرة وأخذ لقطات لحركة الإلكترونات السريعة للغاية، إذ اكتشفت آن لويلير تأثيرًا جديدًا من تفاعل ضوء الليزر مع ذرات الغاز ووضح كل من بيير أغوستيني وفيرينك كرواس إمكانية استخدام التأثير السابق في إنشاء نبضات ضوئية شديدة القصر. فكيف فعلوا ذلك؟ هذا ما سنوضحه في مقالنا لمقدمة مبسطة لفهم جائزة نوبل في الفيزياء 2023 وسبب الفوز بها.

فهم ما يحدث داخل عالم الذرة السريع ليس مستحيلًا بعد الآن!

حينما تشاهد فهدًا يلحق فريسته بسرعة تصل إلى 64 ميلًا في الساعة، لا يمكنك لمح حركة جسده بالتفصيل بل ستراه كالطيف يمر أمامك. كذلك حينما ترى مقاطع فيديو في الأصل هي عبارة عن بضع صور ثابتة ولكن تم استخدام أحد البرامج لتسريع مرور تلك الصور أمام عيونك.

لا يمكن لحواسنا البشرية ملاحظة الحركات شديدة السرعة هذه، لذا نحن بحاجة للتكنولوجيا وحيلها كالالتقاط وتصوير اللحظات القصيرة التي تحدث، لفهم ما يحدث في عالمنا. يتيح لنا التصوير الفوتوغرافي عالي السرعة والإضاءة التقاط صور تفصيلية للكثير من الظواهر. وكلما كان حدوث الظاهرة أسرع، لابد أن تكون سرعة التقاط الصورة أسرع. وينطبق هذا المبدأ على جميع أساليب القياس أو تصوير أي عملية تحدث بسرعة، فإذا كان النظام سريع، يجب أن يكون القياس بسرعة أكبر من سرعة النظام وذلك لالتقاط الأحداث التي تحدث داخل هذا النظام.

يُعد المقياس الزمني الطبيعي للذرات قصير للغاية. فيمكن للذرات في الجزيء أن تتحرك وتتحول في جزء من مليون من مليار من الثانية (الفيمتوثانية). وقد كان أقصى ما يمكننا فهمه هو التفاعلات الكيميائية بين الجزيئات باستخدام نبضات الليزر في زمن قدره فيمتوثانية والتي فاز عنها العالم المصري أحمد زويل بجائزة نوبل سابقًا، لكن العلم لم يتوقف عند ذلك الحد بل مستمر. لذا كان اهتمام العلماء مصوب حول فهم ما هو أدق، أي عالم الذرات هائلة السرعة! وقد ساهم العلماء الثالثة في تصميم تجارب توضح طريقة لإنتاج نبضات ضوئية شديدة القصر، لالتقاط صور للعمليات داخل الذرات والجزيئات.

ولأن حركة الإلكترونات داخل الذرات والجزئيات سريعة للغاية، وتفوق سرعتها الفيمتوثانية، فتتغير مواقع وطاقات الإلكترونات بسرعة تتراوح بين واحد وبضع مئات من الأوتوثانية، والأوتوثانية هي جزء من مليار من مليار من الثانية! فهي قصيرة لدرجة أن عددها في الثانية الواحدة هو نفسه عدد الثواني التي مضت منذ ظهور الكون أي ما يقارب 13.8 مليار سنة. بمعنى أخر، الأوتو ثانية الواحدة فقط تعادل ثانية من عمر الكون.

كشف أسرار عالم الذرة باستخدام نبضات الأوتوثانية!

يتكون الضوء من موجات، اهتزازات في المجالات الكهربائية والمغناطيسية، تتحرك تلك الاهتزازات مع بعضها في الفراغ على نحو سريع، أسرع من أي شيء. كما أن لها أطوال موجية مختلفة وبألوان مختلفة. فمثلًا يبلغ طول موجة الضوء الأحمر حوالي 700 نانومتر، أي جزء من مائة من عرض شعرة الرأس، وتدور بمعدل أربعمائة وثلاثين ألف مليار مرة في الثانية تقريبًا. فلا يمكن للأطوال الموجية المستخدمة في أنظمة الليزر العادية أن تقل عن الفيمتو ثانية، لذا في الثمانينيات، كانت أقصر نبضات ضوئية ممكنة هي تلك التي تصدر في زمن قدره فيمتوثانية، ولا يمكن خرق ذلك. كان اختراق الفيمتوثانية تحدٍ هائل، فماذا يفعل العلماء؟

بالرياضيات، سنحصل على أقصر الموجات!

توضح الرياضيات لنا أنه يمكننا أن نشكل موجة من أمواج أصغر متراكبة، لذا إذا استُخدم عدد من الموجات ذات الأحجام والأطوال الموجية القصيرة في نطاق الأوتوثانية والسعات الصحيحة (المسافات بين القمم والقيعان)، وتراكبت تلك الموجات، ستنشأ لدينا موجات قوية وشديدة القصر في نطاق الأوتوثانية. وإذا تمكننا من رصد تلك الموجات، فبإمكاننا اكتشاف عالم الذرات والجزيئات.

لم يقتصر الأمر على استخدام الليزر فقط لإضافة أطوال موجية جديدة للضوء، حيث مفتاح الوصول إلى أقصر لحظة تمت دراستها هو باستخدام الظاهرة التي تنشأ عند مرور ضوء الليزر عبر الغاز. إذ يتفاعل الضوء مع ذرات الغاز ويسبب موجات انعكاسية تكمل عددًا من الدورات الكاملة لكل دورة في الموجة الأصلية. يمكن مقارنة ذلك بالنغمات المختلفة التي تعطي الصوت طابعه الخاص، مما يسمح لنا بسماع الفرق بين نفس النغمة التي يتم عزفها وتمييزه ما بين الجيتار والبيانو. وفي عام 1987، نجحت آن لويلر وزملاؤها في أحد المختبرات الفرنسية بإنتاج وإظهار النبضات بتسليط أشعة الليزر تحت الحمراء على ذرات غاز خامل.

مساهمة العلماء الثلاثة في جائزة نوبل في الفيزياء 2023

عندما يسلّط ضوء الليزر على الغاز، يؤثر على ذراته ويحدِث اهتزازات كهرومغناطيسية تشوه المجال الكهربائي الذي يحمل الإلكترونات حول نواة الذرة. مما يمكّن الإلكترونات بعد ذلك من الهروب من الذرات، لكن ما يمنعها من الهروب هو المجال الكهربائي الذي ينشأ عنه قوة جذب تحبسها. وعند تسليط الأشعة كما ذكرنا، يحدث بالقوة اضطراب لفترة زمنية صغيرة جدًا فتتمكن بعض الإلكترونات من الهرب أي تتأين طبقًا لميكانيكا الكم حيث ينشأ نفق كمي. من ثم تكتسب تلك الإلكترونات طاقة من المجال الكهربي لأشعة الليزر. لكن حينما يتغير اتجاه المجال الكهربي لأشعة الليزر، تعود الإلكترونات حول الذرة وتطلق الطاقة التي اكتسبتها سابقًا على شكل موجات ضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي الصغير في نطاق الأوتوثانية الزمني. وعندما تحدث تلك الظاهرة من عدد كبير من الإلكترونات التي ستكتسب طاقات مختلفة، سيكون لدينا أمواج فوق بنفسجية مختلفة الترددات، تتراكب معًا وتنشأ موجة قوية قابلة للرصد طولها الموجي في نطاق الأوتوثانية.

هذا ما فعلته آن لويلير في 1987 وبيير أغوستيني ومجموعته البحثية في فرنسا عام 2001 في إنتاج ودراسة سلسلة من النبضات الضوئية المتتالية. توصل الباحثان إلى أن نبضة تستمر 250 أوتوثانية. في الوقت نفسه، كان فيرينك كراوس ومجموعته البحثية في النمسا يعملون على تقنية يمكنها اختيار عربة واحدة تشبه النبض يتم فصلها عن القطار وتحويلها إلى مسار آخر واستمرت النبضة التي نجحوا في عزلها لمدة 650 أوتوثانية.

أظهرت هذه التجارب أنه يمكن ملاحظة وقياس نبضات الأوتوثانية، ويمكن استخدامها أيضًا في تجارب جديدة. إن هذه النبضات الضوئية القصيرة يمكن توظيفها لدراسة حركة الإلكترونات، إذ أصبح من الممكن الآن إنتاجها ورصدها بسرعات تصل إلى بضع عشرات من الأوتوثانية فقط، وهذه التكنولوجيا تتطور طوال الوقت.

أقرأ أيضًا: لماذا كانت النبضات الضوئية القصيرة السبب في الفوز بجائزة نوبل عام 2023؟

المصدر: بيان موقع نوبل.

تُستخدم تقنية حيود الأشعة السينية ـــX-ray diffraction (XRD) لفهم بنية المواد على المستوى الذري والجزيئي. الامر مثل امتلاك قوة خارقة تتيح لنا النظر داخل المواد ورؤية بنيتها المخفية. يمكننا فهم خصائص المواد، وتطوير مواد جديدة ذات خصائص مخصصة، كما يمكننا حل بعض أكبر الألغاز في العلوم, عبر تطبيقات في مجموعة واسعة من المجالات، بدءًا من علوم المواد والكيمياء وحتى الجيولوجيا والبيولوجيا. وقد تم استخدام قتنية حيود الآشعة لدراسة كل شيء من المعادن والفلزات إلى البروتينات والفيروسات. فكما تحدثنا في المقالات السابقة عن إمكانية استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لدراسة سطح العينة، وإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد. يشيع استخدام (SEM) لدراسة شكل سطح المواد، وكذلك استخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لتكوين صورة للبنية الداخلية للعينة. ويشيع استخدامه لدراسة بنية المواد، والعيوب في المواد. سنتحدث في هذا المقال عن استخدام تقنية XRD لدراسة بنية المواد في الظروف القاسية، مثل الضغوط العالية ودرجات الحرارة. أحد أكثر تطبيقات XRD إثارةً هو دراسة المواد النانوية.

ما هي تقنية حيود الأشعة السينية وكيف تعمل؟

الأشعة السينية هي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي بطول موجي يشبه المسافة بين الذرات في البلورات. عندما يتم تسليط الأشعة السينية على البلورة، فإنها تتناثر بواسطة الذرات الموجودة في البلورة. من ثم تتداخل الأشعة السينية المتناثرة مع بعضها البعض، ويسمى النمط الناتج من الأشعة السينية المتناثرة نمط الحيود. يحتوي نمط الحيود على معلومات حول المسافات بين الذرات الموجودة في البلورة والزوايا التي انحرفت عندها الأشعة السينية.

للحصول على نمط الحيود، توضع بلورة في مسار شعاع الأشعة السينية، ويتم وضع الكاشف لالتقاط الأشعة السينية المنحرفة. يتم تدوير البلورة، ويسجل الكاشف شدة الأشعة السينية المنحرفة بزوايا مختلفة. من خلال تحليل نمط الحيود الناتج، يمكن للعلماء إعادة بناء بنية البلورة. يُعتبر تحليل XRD بصمة للمواد. وكما أن كل شخص لديه بصمة فريدة، فإن كل مادة لها نمط XRD فريد. ومن خلال مقارنة نمط XRD لمادة ما بقاعدة بيانات للأنماط المعروفة، يمكننا التعرف على المادة وتحديد خصائصها. أهم ما يميز تقنية XRD أنها تقنية غير مدمرة، مما يعني أنها لا تلحق الضرر بالعينة التي يتم تحليلها. هذا يجعلها مفيدة بشكل خاص لدراسة المواد الحساسة أو القيمة. كما يمكن استخدامها لتحليل مجموعة واسعة من المواد [1] .

ما هي استخدامات تقنية حيود الأشعة السينية في علم المواد؟

أحدث حيود الأشعة السينية ثورة في فهمنا للمواد ولا تزال أداة حيوية في البحث العلمي والتطوير، حيث أنها تقنية تحليلية قوية يمكن استخدامها لتحديد التركيب البلوري لمجموعة واسعة من المواد. كما تستخدم على نطاق واسع في البحث العلمي، وخاصة في مجالات علوم المواد والكيمياء والجيولوجيا والفيزياء. فيما يلي بعض الطرق التي يمكن من خلالها استخدام تقنية XRD في علم المواد [2] :

• توصيف المواد Material characterization: يمكن استخدام XRD لتحديد التركيب البلوري وتركيب المواد، بما في ذلك المعادن والفلزات والسيراميك والبوليمرات. حيث تستخدم هذه المعلومات لفهم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة. وكذلك تستخدم لتطوير مواد جديدة ذات خصائص محددة والتي يمكن أن تكون مفيدة في مجالات البصريات، وعلوم المواد.
• مراقبة الجودة: يمكن استخدام XRD لضمان جودة المواد واتساقها، كما هو الحال في تصنيع الأدوية وأشباه الموصلات والسيراميك.
• تحليل المرحلة Phase analysis: يمكن استخدام XRD لتحديد المراحل الموجودة في المادة، بما في ذلك كمياتها النسبية وبنيتها البلورية. يمكن استخدام هذه المعلومات لدراسة التحولات الطورية، مثل الذوبان، وتفاعلات الحالة الصلبة، والتحولات متعددة الأشكال.
• التحليل الهيكلي Structural analysis: يمكن استخدام XRD لتحديد التركيب البلوري للمادة، بما في ذلك أبعاد خلية الوحدة، والمجموعة الوظيفية، والمواقع الذرية. مما يساعد على فهم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة، وكذلك لتطوير مواد جديدة ذات خصائص محددة.
• الدراسات الحركية Kinetics studies: يمكن استخدام XRD لدراسة حركية التحولات الطورية، مثل نمو البلورات أو تكوين أطوار جديدة في المواد، مثل الذوبان، وتفاعلات الحالة الصلبة، والتحولات متعددة الأشكال.

تسلط هذه التطبيقات الضوء على تنوع وأهمية XRD في علم المواد، مما يمكّن الباحثين من تطوير مواد جديدة ذات خصائص مخصصة وفهم سلوك المواد الموجودة في التطبيقات المختلفة.

ما هي تطبيقات XRD في المجالات المختلفة؟

حيود الأشعة السينية عبارة عن تقنية متعددة الاستخدامات تجد تطبيقات في مجالات مختلفة تتجاوز علم المواد. فيما يلي بعض الأمثلة على تطبيقات XRD في مجالات أخرى [3] :

• الجيولوجيا: يستخدم XRD لدراسة التركيب البلوري وتكوين المعادن. حيث يساعد في تحديد وتصنيف الصخور والمعادن. ويمكنه أيضًا تقديم نظرة ثاقبة للعمليات الجيولوجية، مثل تكوين المعادن والصخور.
• علم الأحياء: يُستخدم XRD لتحديد التركيب البلوري للبروتينات والجزيئات البيولوجية الأخرى، مما يساعد في فهم وظيفتها وتفاعلاتها. ويمكن استخدامه أيضًا لدراسة بنية DNA و RNA.
• الكيمياء: يستخدم XRD لتحديد التركيب البلوري للجزيئات الصغيرة، لفهم خصائصها وسلوكها. ويمكن استخدامه أيضًا لدراسة بنية المحفزات والمواد الأخرى المستخدمة في التفاعلات الكيميائية.
• علم الآثار: يستخدم XRD لدراسة التركيب البلوري وتكوين القطع الأثرية لتحديد هويتها وتاريخها.
• الطب الشرعي: يستخدم XRD لدراسة التركيب البلوري وتكوين المواد الموجودة في مسرح الجريمة، مما يساعد في تحديد الأدلة وتحليلها.
• المستحضرات الصيدلانية: يستخدم XRD لدراسة التركيب البلوري للأدوية والمستحضرات الصيدلانية الأخرى، مما يساعد في فهم خصائصها وسلوكها. ويمكن استخدامه أيضًا لدراسة هيكل أنظمة توصيل الدواء.
• علم النانو: يستخدم XRD لدراسة التركيب البلوري للمواد النانوية، وهي مواد ذات أبعاد أقل من 100 نانومتر. تتمتع المواد النانوية بخصائص فريدة تجعلها مفيدة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الحفز الكيميائي والإلكترونيات والطب. يعد حيود الأشعة السينية أداة قوية لدراسة التركيب البلوري للمواد النانوية، وهي مواد ذات أبعاد أقل من 100 نانومتر. تتمتع المواد النانوية بخصائص فريدة تجعلها مفيدة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الحفز الكيميائي والإلكترونيات والطب. فيما يلي بعض الطرق التي يتم من خلالها استخدام XRD لدراسة المواد النانوية.

بشكل عام، تعد تقنية XRD قوية تجد تطبيقات في مجالات مختلفة، مما يساعد في فهم بنية وخصائص المواد والجزيئات البيولوجية والمواد الأخرى.

ما هي أساسيات التركيب البلوري؟

التركيب البلوري هو ترتيب متكرر للذرات أو الأيونات أو الجزيئات في المادة. يلعب التركيب البلوري للمادة دورًا حاسمًا في تحديد خواصها الفيزيائية والكيميائية، مثل سلوكها الميكانيكي والكهربائي والحراري والبصري.

يتم وصف التركيب البلوري للمادة من خلال وحدة الخلية ـــ Unit Cell الخاصة بها، وهي أصغر وحدة متكررة في الشبكة البلورية. تُعرف خلية الوحدة من خلال معاملاتها الشبكية ـــ lattice parameters، والتي تشمل طول حوافها (a, b, c) والزوايا بينها (α, β, γ). تتكون الشبكة البلورية عن طريق تكرار خلية الوحدة في ثلاثة أبعاد، مما يؤدي إلى ترتيب دوري للذرات أو الجزيئات كما موضح بالشكل التالي.

يعتمد نوع التركيب البلوري على تماثل وحدة الخلية وترتيب الذرات أو الجزيئات داخلها. هناك عدة أنواع من الهياكل البلورية، بما في ذلك التركيب البلوري:

• المكعبي ـــ cubic
• الرباعي الزوايا ـــ tetragonal
• الثلاثي الزوايا ـــ Trigonal
• السداسي الشكل ـــ hexagonal
• معيني تقويمي ـــ orthorhombic
• الأحادي الميل ـــ monoclinic
• الثلاثي الميل ـــ triclinic

ومن البديهي أن نتسائل كيف يساعد الترتيب المختلف للذرات في خلية الوحدة والشبكة في تحديد التركيب البلوري للمركب؟ إن اختلاف ترتيب الذرات في الخلية الواحدة يؤدي إلى حيود الأشعة السينية بأنماط مختلفة. حيث يحتوي كل هيكل على نمط حيود الأشعة السينية الفريد (المشابه لبصمات الأصابع البشرية) الذي يعطي معلومات حول الترتيب المكاني المحدد للذرات في وحدة الخلية والشبكة. وهذا بدوره يعطي معلومات حول التركيب البلوري [4] .

كيفية تفسير أنماط حيود الأشعة السينية ؟

توفر أنماط حيود الأشعة السينية معلومات قيمة حول البنية البلورية للمادة، بما في ذلك حجم وشكل البلورات الموجودة في المادة. فيما يلي الخطوات الأساسية لتفسير نمط الحيود [2] :

• تحديد القمم: يتكون نمط XRD من سلسلة من القمم، والتي تتوافق مع حيود الأشعة السينية بواسطة الشبكة البلورية. يتوافق موضع كل قمة مع زاوية الحيود (2θ) والتباعد بين المستويات البلورية ـــ d-spacing.
• تحديد البنية البلورية: يمكن استخدام موضع وكثافة القمم لتحديد البنية البلورية للمادة. ويتم ذلك عن طريق مقارنة القمم المرصودة مع القمم المتوقعة للهياكل البلورية المختلفة، باستخدام قواعد بيانات مثل المركز الدولي لبيانات الحيود ـــ International Centre for Diffraction Data (ICDD)
• تحليل شكل وعرض الذروة: يمكن أن يوفر شكل وعرض القمم معلومات حول حجم وشكل البلورات في المادة. حيث تشير القمم العريضة إلى أحجام بلورية صغيرة أو عيوب بلورية، بينما تشير القمم الضيقة إلى أحجام بلورية أكبر.
• حساب حجم البلورات: يمكن حساب حجم البلورات في المادة باستخدام معادلة شيرير، التي تربط عرض الذروة بحجم البلورات. ويمكن استخدام هذه المعلومات لفهم الخواص الفيزيائية والكيميائية للمادة.
• تحليل شدة القمم: يمكن أن توفر شدة القمم معلومات حول اتجاه البلورة والملمس في المادة. على سبيل المثال، تشير القمم القوية إلى اتجاه بلوري مفضل، بينما تشير القمم الضعيفة إلى اتجاه عشوائي.

تعد XRD أداة رئيسية في تطوير مواد جديدة ذات خصائص محددة. من خلال فهم البنية البلورية للمادة، يمكننا تصميم مواد جديدة ذات خصائص محددة، مثل زيادة القوة، أو تحسين التوصيل، أو النشاط التحفيزي المعزز. يُستخدم حيود XRD أيضًا في مراقبة الجودة، مما يضمن اتساق المواد وجودتها العالية.

لا شك أن XRD تقنية رائعة وقوية تسمح لنا برؤية العالم غير المرئي للذرات والجزيئات. ولها تطبيقات في مجموعة واسعة من المجالات، وهي أداة رئيسية في تطوير مواد جديدة ذات خصائص مخصصة. باستخدام XRD، يمكننا كشف أسرار المواد وحل بعض أكبر الألغاز في العلوم. لكن المستقبل ما زال مفتوحًا أمامها لكشف المزيد من الأسرار العلمية.

المصادر

1. Crystal structure basics | LibreTexts Chemistry
2. X-ray Powder Diffraction (XRD) | MSU
3. X-Ray Diffraction Applications | ThermoFisher
4. Bravais Lattice | tutorix
5. Crystallography Basics | Lowa State University

تعمل عيوننا كمجسات للضوء شديدة الحساسية، حيث تعينان شدة الأشعة الساقطة عليهما ولونها وانتشارها في الفضاء. وتمتلك شبكية العين البشرية من (البكسلات) أكثر مما تمتلكه آلة تصوير رقمية. ففي الشبكية نحو ستة ملايين من الخلايا المخروطية التي تتحسس باللون وأكثر من 100 مليون من الخلايا الأسطوانية المسؤولة عن الرؤيا في الظلام. والعيون حساسة جداً، حيث أن خلية واحدة أسطوانية معتادة على الظلام يمكن أن تطلق إشارة إلي الدماغ عند امتصاصها جسيما واحداً من جسيمات الضوء (فوتوناً). والفوتون هو أصغر وحدة كمومية من موجة كهرومغناطيسية. وتلزم ست فقط من إشارات الفوتون الواحد لكي يري الدماغ ومضة. لكن العيون وآلات التصوير التجارية بعيدة عن أن تكون مثالية للعديد من المهمات. لأنها لا تستطيع أن تكشف سوى تلك الفوتونات التي تقع تردداتها في المدي المرئي الضيق. وأكثر من ذلك فإن قدراتها اللونية لا تتضمن قياس التردد المضبوط  لكل فوتون. ومن هنا أتى احتياجنا الكبير لمجسات فوتونية علمية وصناعية قادرة على كشف المجالات الكهرومغناطيسية التي تقع خارج مدي الضوء المرئي. نريد مجسات فوتونية قادرة على التقاط عوالم الأشعة تحت الحمراء والموجات الميكروية، حيث الترددات منخفضة (الأطوال الموجية طويلة، والطاقة منخفضة).

يفتقر العلماء بصورة خاصة، بالنسبة إلي الأطوال الموجية المرئية والأطول منها، إلي أجهزة قادرة علي رؤية فوتون منفرد وعلي تمييز تردده، ومن ثم طاقته بأي دقة كانت. حيث إن تعيين تردد الفوتونات يفتح الباب أمام ثروة من المعلومات حول المادة المصدرة لهذه الفوتونات. إن كشف الفوتونات بابتكار مجسات أساسها الموصلية الفائقة، بإمكانها القيام بمثل تلك القياسات الدقيقة وبأمور أخرى غير عادية. إذ أن هذه الأدوات الجديدة تحسن حساسية القياسات على مدى الطيف الكهرومغناطيسي من الموجات الراديوية إلي الضوء المرئي إلي أشعة جاما تحسينا مذهلا.

هشاشة الموصلات الفائقة ودورها في صناعة مجسات فوتونية

من الغريب أن تكون خاصية التوصيلية الفائقة التي نتج عن استخدامها في تطبيقات مثل نقل القدرة الكهربائية، هي بالضبط الميزة التي احتاجها العلماء لصناعة مجسات للفوتونات. فالموصلية الفائقة التي هي سريان التيار الكهربي من دون مقاومة، وتنشأ حين ترتبط الإلكترونات فى مادة مناسبة بعضها ببعض لتشكل ما يسمي أزواج كوبر Cooper pairs.

تسري أزواج كوبر عندئذ كمائع فائق. وهناك تأثير ميكانيكي كمومي مفاده أن الموصلية الفائقة لا تحدث فى المادة إلا حين تُبَرد هذه المادة إلي درجة حرارة منخفضة جداً، وتدعي حرارة التحول الحرجة لتلك المادة. وتبريد المادة ينقص اهتزاز ذراتها. فإذا ارتفعت درجة الحرارة فوق حرارة العتبة (Threshold)، أبعدت الطاقة الحرارية للتصادمات الإهتزازية الإلكترونين الشريكين في أزواج كوبر أحدهما عن الآخر. وأزالت بذلك الموصلية الفائقة. وبسبب هذه الحساسية للحرارة لا بد من تبريد العديد من الموصلات الفائقة إلي درجات قليلة فقط فوق الصفر المطلق ( درجة 0 كلفن تساوي 273.15-). وتحتاج بعض الأنواع إلي درجات حرارة منخفضة لا تتجاوز أجزاء قليلة من المئة من الكلفن.

هشاشة مفيدة

ولكن هشاشة الموصلية الفائقة بحد ذاتها هي الصفة التي تجعلها مناسبة بصورة مثالية للاستخدام فى المجسات الحساسة. وتعتمد مجسات الفوتونات فائقة الموصلية علي مقدرة طاقة فوتون منفرد علي تمزيق الآلاف من أزواج كوبر. عندئذ يمكن قياس التغير في حالة الموصلية الفائقة بعدة طرق بهدف الكشف عن الطاقة التي أعطاها الفوتون أي لصناعة المجسات الفوتونية. ولما كانت طاقة الفوتون متناسبة مع تردده، فإن هذا القياس يدل علي تردد الفوتون. وهذا هو المفتاح للحصول على معلومات عن الجسم الذي أتى الفوتون منه. [1]

تعمل المجسات شبه الموصلة العاملة عند درجة الحرارة العادية، مثل الأجهزة ذات الشحنات المقترنة Charged-coupled devices الموجودة في آلة تصوير رقمية، بواسطة تشويش حالة كمومية في المادة. ففي حالة الجهاز CCD، يصدم فوتون الضوء المرئي إلكترونا فيخرجه من نطاق طاقة في بلورة شبه موصلة. ولكن الإلكترونات مرتبطة ارتباطا قويا فى هذه النطاقات، لدرجة أن كل فوتون لا يحرر عادة سوي إلكترونا واحد. وهذا التحرير قليل جداً لدرجة أنه لا يكفي لتحديد تردد الفوتون. ونتيجة لذلك لا يستطيع الجهاز CCD تعيين لون الفوتون مباشرة. أما الآلات الرقمية فتشكل صوراً ملونة باستخدامها مجموعة مرشحات، أحدهما أحمر والآخر أخضر والثالث أزرق، ولا تمرر سوى الفوتونات التي تقع تردداتها في هذه المجالات. وعلي النقيض من ذلك، فإن بإمكان فوتون مرئي واحد فصل الآلاف من أزواج كوبر فى الموصل الفائق. ويتيح تكوين آلاف الإثارات قياس الطاقة قياسا دقيقا.

أنواع المجسات الفوتونية فائقة التوصيل

تصنف المجسات التي تعمل علي تحسس تمزق الموصلية الفائقة فى صنفين رئيسيين. النوع الحراري الذي يبرد حتي درجة حرارته الانتقالية بالضبط، وعندها لا يكون إلا جزئيا في حالة الموصلية الفائقة وتكون الإثارات الحرارية علي وشك أن تخرب الموصلية الفائقة كليا. وأي طاقة تُودَع فى الموصل الفائق ترفع درجة حرارته وتسبب ارتفاع مقاومته الكهربائية ارتفاعا ملموسا. أما النوع الأخر، المجسات الفاصلة للأزواج Pair-breaking فهو علي العكس من ذلك، إذ يُبَرد إلى درجة حرارة أخفض من درجة حرارة الانتقال ويكون فى حالة الموصلية الفائقة كليا. ويقيس هذا المجس عدد أزواج كوبر التي تحطمت عند إيداع الطاقة فيه.[2]

المجسات ذات الحافة الانتقالية (TES)

يعتمد النوع الحراري من المجسات الفوتونية علي حقيقة أن المقاومة الكهربائية للموصل الفائق ترتفع بشكل حاد من الصفر إلي قيمتها الاعتيادية فى المدى الضيق جداً من درجة الحرارة الذي تتحول فيه المادة من حالتها فائقة الموصلية إلي حالتها العادية. ويتيح التغير الفجائي فى المقاومة للموصل الفائق أن يعمل عمل ميزان حرارة بالغ الحساسية. ويدعي المجس الذي يستخدم الانتقال الطوري الفائق الموصلية بهذه الطريقة مجساً ذا حافة انتقالية Transition-edge sensor. وحين يمتص المجس TES فوتوناً، تتحول طاقة الفوتون إلي طاقة حرارية ترفع درجة الحرارة ومن ثم تزيد مقاومة المادة بصورة متناسبة مع الطاقة المودعة. ويمكن تبعا للمادة التي تمتص الفوتونات، أن يٌستخدم المجس TES مثل مقياس طيف لقياس طاقة الأشعة السينية وأشعة جاما أو مثل عداد فوتونات عند الأطوال الموجية تحت الحمراء أو حتى المرئية.[3]

تم تطوير أوائل المجسات TES فى الأربعينيات لكنها لم تكن عملية. وكانت المشكلة في أن مدى الانتقال إلي الموصلية الفائقة غالبا ما يكون أقل من جزء من ألف من الدرجة. ولذلك كان من الصعب إبقاء درجة حرارة الجهاز ضمن هذا المدى. وفى عام 1993، تم اكتشاف حيلة بسيطة أمكنت من حل هذه المشكلة. وهي تطبيق جهد كهربي ثابت، وهي تقنية تدعى انحياز الفلطية Voltage biasing. يؤدي الجهد المطبق إلي مرور تيار كهربي عبر المجس TES، وهو ما يرفع درجة حرارته للتسخين. وعند ارتفاع درجة حرارة الانتقال ترتفع المقاومة، و ينقص التيار الكهربي ويتوقف التسخين. وهكذا يعمل التسخين الذاتي ارتجاع Feedback سالب، فيبقي درجة حرارة الغشاء ضمن مجاله الانتقالي. كما أن الارتجاع السلبي يسرع استجابة المجسات. وقد أدي إدخال انحياز الفلطية إلي نمو هائل فى تطوير المجسات الفوتونية TES فى العالم كله.

مجسات الوصلة النفقية فائقة الموصلية Superconducting tunnel junctions

لا يمكن للمجسات الفاصلة لأزواج كوبر أن تعتمد علي التغير فى المقاومة الكهربائية لكي تعطي إشارة امتصاص فوتون. فبخلاف المجس الحراري، يحطم الفوتون الوارد أزواج كوبر ويُكَوِن أشباه جسيمات يمكن اعتبارها بمثابة إلكترونات حرة فى مادة أخري فائقة الموصلية. ويكون عدد أشباه الجسيمات الناتجة متناسبةً مع طاقة الفوتون. ولكن لما كان المجس مبرداً إلي ما دون درجة حرارته الانتقالية بكثير، فلا يزال ثمة بحر من أزواج كوبر السليمة. ولذا تبقي المقاومة الكهربية معدومة. وينبغي أن يحتفظ المجس الفاصل للأزواج بقدرته علي التمييز بين أزواج كوبر وأشباه الجسيمات.

إن أحد الأجهزة القادرة علي القيام بتلك المهمة هو الوصلة النفقية الفائقة الموصلية Superconducting tunnel junctions، المؤلفة من غشائين فائقي الموصلية تفصلهما طبقة رقيقة من مادة عازلة. فإذا كان العازل رقيقا لدرجة كافية (نحو 2 نانومتر)، أمكن للإلكترونات أن تعبر من أحد جانبي الحاجز إلي الجانب الآخر بواسطة خاصية تعرف بالعبور النفقي الكمومي quantum-mechanical tunneling. ويؤدي تطبيق مجال مغناطيسي صغير إلي منع أزواج كوبر من العبور النفقي عبر الوصلة فلا يستطيع العبور إلا أشباه الجسيمات. بعد ذلك يمكن تطبيق جهد كهربي علي الجهاز، فلا يمر تيار إلا حين يمتص أحد الغشائين فائقي التوصيلية فوتوناً يولِد أشباه جسيمات. وتكون نبضة التيار الناتجة متناسبة مع عدد أشباه الجسيمات المستحدثة وإذاً مع طاقة الفوتون وتردده.[4][5]

تطبيقات المجسات فائقة الموصلية

إن المجسات فائقة الموصلية المتاحة اليوم أكثر حساسية 100 إلي 1000 مرة من المجسات العادية التي تعمل عند درجة حرارة الغرفة. وهذه الأجهزة تحسن القياسات فى مدي واسع من المجالات.

منع انتشار الأسلحة النووية والدفاع الوطني

إن إحدي الأولويات الدولية هي مراقبة انتشار المواد النووية التي يمكن أن تستخدم فى هجوم يقوم بيه إرهابيون. وتحتوي المواد النووية على نظائر غير مستقرة تصدر أشعة السينية وأشعة جاما. وتوفر الطاقات المميزة لهذه الفوتونات بصمة تكشف عن ماهية تلك النظائر الموجودة. ولكن لسوء الحظ تصدر بعض النظائر الموجودة فى تطبيقات شرعية وعادية هي الأخرى أشعة جاما ذات طاقات شبيهة بتلك التي تصدرها مواد تستخدم في الأسلحة النووية. وهذا يؤدي إلى تحديد ملتبس وتحذيرات مزيفة. فعلى سبيل المثال، تتمثل الطاقة المميزة لليورانيوم العالي التخصيب فى أشعة جاما ذات طاقة 185.7 كيلو إلكترون فولت الصادرة من يورانيوم 235. لكن أشعة جاما هذه لها نفس الطاقة تقريبا التي تصدر عن الراديوم 226 الموجودة فى الطين فى الحاويات المخصصة للقطط وفى مواد أخري. وهذا يجعل التمييز بين الاثنتين صعبا جدا.

وقد تم تطوير مجسات من قبل مختبر لوس ألاموس الوطني لأشعة جاما مبنية علي أساس تقانة TES وتتمتع بقدرة تمييز طاقية تفوق أكثر من عشر مرات تلك التي للمجسات العادية. إذ تستطيع تلك المجسات فصل عدد أكبر من الخطوط فى أطياف أشعة جاما المعقدة للمواد النووية. وتستطيع التفريق بين اليورانيوم والراديوم والقضاء علي التحذيرات الزائفة.

الكوسمولوجيا (علم الكون)

في السنوات الأخيرة، أتت بعض أهم الاكتشافات حول فهمنا للكون من قياس اشعاع الخلفية الكونية من الموجات الميكروية Cosmic microwave background (CMB). فالفوتونات فى الخلفية الكونية هي صورة لحظية للكون بعد نحو 400000 سنة من الانفجار الأعظم. وهذا بسبب مرور معظم الفوتونات عبر الكون أثناء ال 13 بليون سنة الماضية من دون أي تغير، وأحدثت الموجات الصوتية في بلازما الكون المبكر نماذج إشعاع خلفية CMB يراها الفلكيون اليوم. وقد أظهرت قياسات تلك النماذج، أن 5% من الكون الحالي فقط يتألف من المادة والطاقة العاديتين المألوفتين بالنسبة لنا. وأن نحو 22% هي مادة خفية Dark matter و73% هي حقل غامض يعرف بالطاقة الخفية Dark energy. وقد ساعدت المجسات فائقة الموصلية العلماء علي الوصول إلي طاقات لا يمكن الوصول إليها أبدا بالتجارب الأرضية.

صارت المجسات الفائقة بالإضافة إلي ما تم ذكره من تطبيقات، تستخدم أيضا فى السنكروترونات للتحليل الكيميائي للمعادن في البروتينات وفي عينات أخري. كما ساعدت أيضًا في الكشف الفعال عن بوليمرات بيولوجية كبيرة من شظايا ال DNA، واكتشاف الأدوية وتحليل المركبات الطبيعية. بالإضافة إلي عد الفوتونات عند أطوال موجية تحت الحمراء، المستخدم في الاتصالات.

المصادر

1- Low Temperature particle detectors|
2-Superconducting nanowire single-photon detector
3-Transition-edge sensor
4-Quantum Tunneling
5-Superconducting tunnel junction

الثلج الجاف هو ثاني أكسيد الكربون الصلب المتجمد (CO₂)على عكس الثلج العادي الذي يكون عبارة عن ماء متجمد. كما يوحي الاسم، فإن الثلج الجاف لا يذوب عند تعرضه لدرجة حرارة الغرفة أو الحرارة. وبدلًا من ذلك، يتحول مباشرة إلى غاز، المعروف أيضًا باسم “التسامي – sublimation “. يتجمد ثاني أكسيد الكربون ويظل متجمدًا عند درجة حرارة أقل من 78.5- درجة مئوية (109- درجة فهرنهايت). من ناحية أخرى، يتجمد الجليد العادي عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت). هذا الاختلاف الهائل في درجة حرارة التجمد هو ما يجعل استخدام الثلج الجاف للتخييم طريقة رائعة للحفاظ على طعامك باردًا لفترة أطول. كما أنه لن يترك طعامك يفسد في السائل عندما يذوب. وكمكافأة مثيرة للاهتمام، يمكن أيضًا أن يبعد البعوض عن خيمتك لأن البعوض ينجذب إلى غاز ثاني أكسيد الكربون. ولكن لماذا لم يعد هذا الشكل البديل الرائع من الجليد شائعًا بعد؟ حسنًا، ذلك لأن الثلج الجاف ليس مثاليًا – ناهيك عن أنه خطير بعض الشيء إذا تم استخدامه بشكل غير صحيح. في هذا المقال، سنتعرف على الثلج البارد ومخاطره وكذلك استخداماته في الصناعات المختلفة.

ما هو الثلج الجاف وكيف تم اكتشافه؟

الثلج الجاف هو الشكل الصلب لثاني أكسيد الكربون (CO₂) الذي يستخدم عادة للتبريد المؤقت حيث أن ثاني أكسيد الكربون لا يحتوي على حالة سائلة عند الضغط الجوي العادي ويتصاعد مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية. تم ملاحظة الجليد الجاف لأول مرة في عام 1835 من قبل الكيميائي الفرنسي تشارلز ثيلورييه عندما فتح أسطوانة تحتوي على كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون السائل لمراقبته في شكل سائل. تبخر ما يكفي منه لترك كتلة ثلج جافة صلبة في قاع الحاوية. وعلى مدار الستين عامًا التالية، تمت ملاحظته في مختبرات الجامعة ولكن لم يتم استخدامه في أي تطبيقات عملية. وحتى اليوم، يمكن لأي شخص أن يأخذ أسطوانة معدنية من ثاني أكسيد الكربون السائل (مثل طفاية حريق ثاني أكسيد الكربون)، ويفتح الصمام، ويلاحظ سحابة الغاز المتسربة مع تحول جزء منها إلى ثلج جاف وثلج مسحوق. ومع ذلك، لم يكن هناك أي استخدام عملي فوري لهذه المادة حتى عشرينيات القرن العشرين عندما وجدت أخيرًا منزلًا تجاريًا حقيقيًا مع شركة Perst Air Devices. منذ ذلك الحين، تم استخدامه في مجموعة متنوعة من الصناعات، بما في ذلك الأغذية والزراعة والترفيه والشحن والتعبئة والتغليف [1].

ما هو الفرق بين الثلج الجاف والثلج العادي؟

يتم استخدام الثلج الجاف والثلج العادي للتبريد، لكن لديهم بعض الاختلافات الرئيسية. فيما يلي بعض الاختلافات الرئيسية بين الثلج الجاف والثلج العادي [2] :

ثلج جاف:

• مصنوع من ثاني أكسيد الكربون المتجمد وهو أبرد بكثير من الجليد العادي، حيث تبلغ درجة حرارته حوالي 109.3- درجة فهرنهايت (78.5- درجة مئوية).
• لا يذوب مثل الجليد العادي، ولكنه يتسامى مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية، مما يعني أنه لن يجعل الأشياء مبللة.
• أخف من الثلج العادي مما يسهل نقله.
• يمكن أن يكون أكثر تكلفة من الثلج العادي، ويتطلب معالجة خاصة وتهوية لتجنب التعرض لمستويات عالية من ثاني أكسيد الكربون.
• يمكن استخدامه مع الثلج العادي لإطالة عمره.

الثلج العادي:

• مصنوع من الماء المتجمد وهو أرخص ويمكن الوصول إليه على نطاق أوسع.
• يذوب بمرور الوقت، مما قد يجعل الأشياء مبللة.
• أثقل من الثلج الجاف، مما قد يزيد من صعوبة نقله.
• متوفر بسهولة ويمكن شراؤه من العديد من محلات البقالة.
• يمكن استخدامه مع ثلج جاف للحفاظ على برودة العناصر لفترات أطول من الوقت.

باختصار، الثلج الجاف أبرد بكثير من الثلج العادي، ولا يذوب، وأخف وزنًا، لكنه قد يكون أكثر تكلفة ويتطلب معالجة خاصة. الثلج العادي أرخص ومتاح على نطاق أوسع، لكنه يذوب ويمكن أن يجعل الأشياء مبللة. كلا النوعين من الجليد لهما إيجابيات وسلبيات، ويتم استخدامهما في ظروف مختلفة حسب الموقف.

ما هي مخاطر استخدام الثلج الجاف بدلًا من الثلج العادي؟

قد يؤدي استخدام الثلج الجاف بدلاً من الثلج العادي إلى بعض المخاطر بسبب خصائصه الفريدة. فيما يلي بعض المخاطر المرتبطة باستخدام الثلج الجاف [3]:

الحروق: لمس الثلج الجاف بالجلد العاري يمكن أن يسبب حروقًا، كما أن التعرض له لفترة طويلة يمكن أن يسبب قضمة الصقيع.

قضمة الصقيع: لا تلمسه ببشرتك لكن استخدم الملقط أو القفازات المعزولة (السميكة) أو قفاز الفرن. نظرًا لأن درجة حرارته باردة جدًا، ويمكن أن يسبب قضمة صقيع شديدة إذا لامس الجلد.

الانفجار: يمكن أن يتسبب في انفجار الحاويات إذا تم تخزينه في حاوية محكمة الإغلاق أو إذا لم يتم التعامل معه بشكل صحيح. لا تقم أبدًا بتخزينه في حاوية محكمة الإغلاق. عندما يذوب يتحول من مادة صلبة مباشرة إلى غاز، ومن ثم يتراكم الغاز في الحاوية حتى ينفجر. سوف تتطاير القطع الحادة من الحاوية في كل مكان. تأكد من تهوية الحاوية الخاصة بك. أفضل مكان لتخزينه هو في صندوق من الستايروفوم مع غطاء فضفاض.

التعرض لثاني أكسيد الكربون والاختناق: يمكن للثلج الجاف أن يطلق غاز ثاني أكسيد الكربون أثناء تساميه، مما قد يحل محل الأكسجين ويؤدي إلى الاختناق في المناطق سيئة التهوية مما يسبب ويسبب فقدان الوعي أو حتى الموت.

تشقق الأسطح: لا يُوضع مباشرة على أسطح العمل. يمكن أن تتسبب درجة الحرارة الباردة في تشقق السطح.

وأيضًا، لا تقم بتخزينه في الفريزر الخاص بك. سيؤدي ذلك إلى أن يصبح الفريزر الخاص بك باردًا جدًا وقد يتم إيقاف تشغيل الفريزر الخاص بك. ومع ذلك، إذا فقدت الطاقة لفترة طويلة من الزمن، فإن الثلج الجاف هو أفضل وسيلة للحفاظ على برودة الأشياء. من المهم التعامل بعناية واتباع احتياطات السلامة المناسبة لتجنب هذه المخاطر. ويشمل ذلك ارتداء القفازات والنظارات الواقية، واستخدامه في مناطق جيدة التهوية، وتخزينه في حاوية جيدة التهوية.

ما هي تطبيقات الثلج الجاف في مختلف الصناعات؟

فيما يلي بعض الاستخدامات الأكثر شيوعًا للثلج الجاف [4,5]:

التبريد والحفظ: يُستخدم بشكل شائع للحفاظ على برودة العناصر أثناء النقل، مثل المواد الغذائية والإمدادات الطبية والعينات البيولوجية.

التنظيف السريع: يمكن استخدامه لتنظيف الأسطح، مثل إزالة الطلاء أو تنظيف المعدات الصناعية.

المؤثرات الخاصة: يمكن استخدامه لإنشاء تأثيرات الضباب أو الدخان في العروض المسرحية والحفلات الموسيقية وغيرها من الأحداث.

التطبيقات الطبية: يُستخدم كذلك في الصناعة الطبية لتخزين العينات البيولوجية ونقل الإمدادات الطبية الحساسة لدرجة الحرارة.

تركيب الانكماش: يمكن استخدامه لتقليص الأجزاء المعدنية معًا.

التجميد السريع: يُستخدم لتجميد المنتجات والمأكولات البحرية وغيرها من الأطعمة بسرعة.

إزالة بق الفراش: يمكن استخدامه لجذب بق الفراش وإزالته.

جعل النباتات تنمو بشكل أسرع: يمكن استخدامه لزيادة مستوى ثاني أكسيد الكربون في الصوبة ـــ greenhouse، مما يمكن أن يعزز نمو النباتات.

التبريد أثناء عمليات الصناعة الكيميائية: في بعض التطبيقات، من المفيد أن تكون قادرًا على تبريد أو تبريد أو تجميد مادة بسرعة أثناء العملية. يمكن استخدام طاقة التبريد والبرودة الشديدة للثلج الجاف لإبطاء أو حتى إيقاف بعض التفاعلات الكيميائية. كما أنه يُستخدم أيضًا لتحييد القلويات وإنتاج “نقاط ـــ Traps” باردة توفر أسطحًا ذات درجة حرارة منخفضة جدًا يمكن للجزيئات أن تتكثف عليها.

هذه مجرد أمثلة قليلة على الاستخدامات العملية العديدة للثلج الجاف. إن تنوعها وخصائصها الفريدة تجعلها أداة قيمة في مجموعة متنوعة من الصناعات.

الثلج الجاف مادة متعددة الاستخدامات ولها استخدامات عديدة. من المهم استخدامه بشكل آمن ومسؤول، لأنه يمكن أن يسبب قضمة الصقيع وإصابات أخرى إذا لم يتم التعامل معه بشكل صحيح. ومع ذلك، عند استخدامه بشكل صحيح، يمكن أن يكون أداة قيمة لمجموعة متنوعة من الأغراض. وإذا كنت تستخدمه لأول مرة، فمن الجيد استشارة أحد المتخصصين للحصول على مزيد من المعلومات حول التعامل والاستخدام الآمن.

المصادر

1. Dry Ice History | Dry Ice Info
2. Dry Ice vs Regular Ice: Pros and Cons
3. Dry Ice Safety | National Weather Services
4. Dry Ice Applications | Dry Ice UK
5. 17Uses of Dry Ice – Commercial, Industrial, & Scientific Uses | TechieScientist

كما ذكرنا في المقال السابق يستخدم المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) شعاعًا من الإلكترونات لمسح سطح العينة، وإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد. ويشيع استخدامه لدراسة مورفولوجية سطح المواد، مثل الحجم والشكل وتوزيع الميزات على السطح. بينما يستخدم المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) شعاعًا من الإلكترونات للمرور عبر عينة رقيقة، مما يؤدي إلى تكوين صورة للبنية الداخلية للعينة. ويشيع استخدامه لدراسة بنية المواد، مثل ترتيب الذرات والجزيئات، والعيوب في المواد.

يعد المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) بمثابة أداة لا غنى عنها في مجال علم النانو ويوفر رؤى لا تقدر بثمن حول بنية وخصائص المواد على المستوى الذري. بفضل قدرته على تصور العينات وتحليلها بتفاصيل لا مثيل لها، أصبح TEM تقنية أساسية للباحثين في مختلف التخصصات العلمية. في هذه المقالة، سنستكشف أساسيات المجهر الإلكتروني النافذ وتطبيقاته والصور المذهلة التي ينتجها.

ما هو المجهر الإلكتروني النافذ؟

المجهر الإلكتروني النافذ هو تقنية تستخدم شعاعًا من الإلكترونات عالية الطاقة للتفاعل مع العينة، والكشف عن بنيتها على المستوى الذري. يتكون الجهاز من مصدر إلكتروني وعدسات كهرومغناطيسية وحامل عينة وكاشفات. وهو يعمل على مبدأ ازدواجية الموجة والجسيم للإلكترونات، حيث يتصرف شعاع الإلكترون عالي الطاقة كموجة وكشعاع من الجسيمات [1].

كيف يعمل المجهر الإلكتروني النافذ؟

يتكون المجهر الإلكتروني النافذ من عدة مكونات رئيسية تعمل معًا لإنشاء صور عالية الدقة للعينات. تشمل هذه المكونات [1,2]:

1. مصدر الإلكترون: عادة ما يكون مصدر الإلكترون في TEM عبارة عن فتيل ساخن أو مسدس انبعاث مجال (FEG). تنبعث منها شعاع من الإلكترونات التي تعمل كمصدر أساسي لإضاءة العينة.

2. العدسات الإلكترونية: يمر شعاع الإلكترون عبر سلسلة من العدسات الكهرومغناطيسية التي تركز الشعاع وتشكله. وتشمل هذه العدسات عدسات مكثفة، والتي تركز الشعاع على العينة، والعدسات الشيئية، التي تركز الإلكترونات المنقولة على نظام التصوير.

3. حامل العينة: يحمل حامل العينة العينة الرقيقة في مكانها ويسمح بوضعها بشكل صحيح داخل المجهر. يجب تحضير العينة كقطعة رفيعة للسماح للإلكترونات بالمرور عبرها.

5. نظام التصوير: يتكون نظام التصوير في TEM من مجموعة من العدسات والفتحات وأجهزة الكشف. تركز العدسة الشيئية الإلكترونات المرسلة على العدسة المتوسطة، مما يزيد من تكبير الصورة. تقوم العدسة المتوسطة بعرض الصورة المكبرة على شاشة الفلورسنت أو الكاميرا الرقمية.

6. شاشة أو كاميرا الفلورسنت: يتم تشكيل الصورة النهائية على شاشة الفلورسنت أو يتم التقاطها بواسطة كاميرا رقمية. في أجهزة TEM القديمة، يتم استخدام شاشة الفلورسنت، حيث تتسبب الإلكترونات التي تضرب الشاشة في انبعاث ضوء مرئي، مما يؤدي إلى إنشاء صورة مرئية. في أجهزة TEM الحديثة، تُستخدم الكاميرات الرقمية بشكل شائع لالتقاط إشارة الإلكترون وتحويلها إلى صورة رقمية.

7. نظام الفراغ: تعمل TEM في ظل ظروف فراغ عالية لمنع تشتت الإلكترون والتفاعل مع جزيئات الهواء. يقوم نظام التفريغ بإزالة الهواء والغازات الأخرى من حجرة المجهر لضمان بيئة نظيفة ومستقرة للتصوير الإلكتروني.

8. برامج التحكم والتحليل: تم تجهيز TEM ببرامج تسمح للمستخدمين بالتحكم في معلمات مختلفة للمجهر، مثل كثافة الشعاع والتركيز وأوضاع التصوير. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تحتوي أجهزة TEM المتقدمة على أدوات تحليل مدمجة لقياس المسافات والزوايا وتنفيذ مهام معالجة الصور.

كيف يتم إعداد عينة لـ TEM؟

يتطلب إعداد عينة للمجهر الإلكتروني النافذ خطوات دقيقة لضمان جودة التصوير المثالية. فيما يلي نظرة عامة على عملية إعداد العينة [3] :

• اختيار العينة: اختر جزءًا تمثيليًا من المادة أو العينة محل الاهتمام. يمكن أن يكون مقطعًا رفيعًا من عينة بيولوجية، أو طبقة رقيقة، أو قطعة صغيرة من مادة صلبة.
• التثبيت (للعينات البيولوجية): في حالة العمل مع العينات البيولوجية، غالبًا ما يكون التثبيت ضروريًا للحفاظ على البنية ومنع التدهور. تشمل المثبتات الشائعة الجلوتارالدهيد أو الفورمالديهايد أو مزيج من الاثنين معًا.
• الجفاف: يجب تجفيف العينة لإزالة الماء، لأن الماء يمكن أن يتداخل مع انتقال الإلكترون. يتم ذلك عادةً عن طريق استبدال الماء تدريجيًا بالمذيبات العضوية، مثل الإيثانول أو الأسيتون، من خلال سلسلة من محاليل التركيز المتزايدة.
• التقسيم الرقيق: يتم تقطيع العينة المضمنة إلى أقسام رفيعة للغاية باستخدام مشراح فائق الدقة. يبلغ سمك هذه المقاطع عادةً حوالي 50-100 نانومتر. يتم جمع المقاطع على شبكة أو حامل عينة TEM.
• التلوين (اختياري): التلوين بالمعادن الثقيلة، مثل خلات اليورانيل أو سترات الرصاص، يمكن أن يعزز تباين العينة ويكشف عن هياكل أو مكونات محددة. التلوين مفيد بشكل خاص للعينات البيولوجية.
• التجفيف بالفراغ: يتم إخضاع العينة للتجفيف بالفراغ لإزالة أي مذيبات أو رطوبة متبقية. وهذا أمر بالغ الأهمية للحفاظ على بيئة الفراغ داخل TEM ومنع القطع الأثرية الناجمة عن بخار الماء المتبقي.
• تصوير: تصبح العينة المجهزة جاهزة للتصوي، حيث يتم تحميل حامل العينة في المجهر، ويتم تعيين معلمات التصوير المناسبة، مثل كثافة الشعاع والتركيز. يتم بعد ذلك وضع العينة ومسحها ضوئيًا للحصول على صور بتكبيرات مختلفة.

من المهم ملاحظة أن إعداد العينة لـ TEM يمكن أن يختلف وفقًا للمتطلبات المحددة للعينة وأهداف التصوير. قد تتضمن التقنيات المتخصصة، مثل تقنية التصوير المقطعي الإلكتروني للتصوير ثلاثي الأبعاد، خطوات إضافية. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري اتباع بروتوكولات السلامة المناسبة والتعامل مع العينات بعناية لتجنب التلوث أو الضرر.

ما هي مميزات المجهر الإلكتروني النافذ؟

• دقة عالية: يسمح TEM بالتصوير بدقة ذرية، مما يوفر تفاصيل لا يمكن الوصول إليها بواسطة تقنيات الفحص المجهري الأخرى.
• تحليل العناصر: باستخدام التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة من الطاقة، يستطيع TEM تحديد العناصر الموجودة في العينة، مما يساعد الباحثين على فهم تركيبها.
• علم البلورات: TEM لا يقدر بثمن في دراسة التركيب البلوري للمواد. يمكن لأنماط الحيود الناتجة عندما يتفاعل شعاع الإلكترون مع البلورة أن تكشف معلومات حول ترتيب شبكتها.
• الهياكل النانوية والجسيمات النانوية: يتيح TEM تصور وتوصيف الجسيمات النانوية والأنابيب النانوية وغيرها من الهياكل النانوية، مما يجعله ضروريًا لأبحاث تكنولوجيا النانو.

ما هي تطبيقات المجهر الإلكتروني النافذ؟

يحتوي المجهر الإلكتروني النافذ على مجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات مختلفة، بما في ذلك [4-6] :

• علم المواد: يستخدم TEM لدراسة بنية وخصائص المواد على المستوى الذري والجزيئي. يتم استخدامه لتحليل البنية المجهرية للمعادن والسيراميك والبوليمرات، وكذلك لدراسة خصائص المواد النانوية والمواد المركبة. يستخدم TEM أيضًا لدراسة التركيب البلوري للمعادن والصخور.
• علم الأحياء والطب: يستخدم TEM لدراسة بنية ووظيفة العينات البيولوجية، بما في ذلك الخلايا والأنسجة والفيروسات. يتم استخدامه للتحقيق في بنية البروتينات والأحماض النووية والجزيئات الحيوية الأخرى، وكذلك لدراسة التفاعلات بين الخلايا وبيئتها مما يساهم في تحقيق اختراقات في فهم الأمراض وتوصيل الأدوية. وأيضًا في أبحاث السرطان لدراسة بنية وسلوك الخلايا السرطانية.
• تقنية النانو: يستخدم TEM لدراسة خصائص المواد النانوية، بما في ذلك حجمها وشكلها وتركيبها. يتم استخدامه لدراسة بنية الجسيمات النانوية والأنابيب النانوية وغيرها من المواد النانوية، وكذلك لدراسة خصائصها الإلكترونية والبصرية.
• صناعة أشباه الموصلات: يُستخدم TEM في صناعة أشباه الموصلات لتحليل وإنتاج رقائق الكمبيوتر والمكونات الإلكترونية الأخرى. يتم استخدامه للتحقيق في بنية وخصائص المواد شبه الموصلة، وكذلك لتحديد العيوب والمشكلات الأخرى التي يمكن أن تؤثر على أداء الأجهزة الإلكترونية.

مستقبل التصوير الميكروسكوبي النافذ TEM

• TEM في الموقع: يسمح TEM في الموقع بمراقبة العمليات الديناميكية في الوقت الفعلي، مثل نمو المواد النانوية أو سلوك العينات البيولوجية في ظل ظروف مختلفة. أصبحت هذه التقنية ذات شعبية متزايدة، ومن المتوقع أن تؤدي التطورات في حاملي العينات وأنظمة التصوير إلى زيادة توسيع قدراتها.
• تقنية Cryo-TEM: هي تقنية تسمح بتصوير العينات في درجات الحرارة المبردة، مع الحفاظ على حالتها الأصلية وبنيتها. هذه التقنية مفيدة بشكل خاص لدراسة العينات البيولوجية، ومن المتوقع أن تؤدي التطورات في تقنية cryo-TEM إلى تحسين دقة التصوير وسرعته.
• التصوير متعدد الوسائط: يجمع التصوير متعدد الوسائط بين تقنيات التصوير المختلفة، مثل TEM والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، لتوفير فهم أكثر شمولاً لبنية المواد وخصائصها. من المتوقع أن تؤدي التطورات في التصوير متعدد الوسائط إلى تحسين دقة التصوير وتوفير رؤى جديدة للمواد المعقدة.

باختصار، يعد TEM أداة قوية لدراسة بنية وخصائص المواد على المستوى الذري والجزيئي. تطبيقاتها متنوعة وتتراوح من علوم المواد وعلوم الحياة إلى تكنولوجيا النانو وتحليل الطب الشرعي. لقد أحدث TEM ثورة في فهمنا للعالم من حولنا ولا يزال أداة أساسية للبحث العلمي والابتكار.

يفتح المجهر الإلكتروني النافذ عالمًا من التفاصيل والدقة المذهلة، مما يمكّن العلماء من التعمق في عالم الذرات والجزيئات. بفضل قدرته على تحليل المواد المختلفة، يلعب TEM دورًا أساسيًا في مجالات علمية متعددة، مما يساعد الباحثين على تطوير حلول مبتكرة ودفع حدود المعرفة. مع استمرار التقدم التكنولوجي، سيظل المجهر الإلكتروني النافذ بلا شك أداة لا تقدر بثمن لعقود قادمة.

المصادر

1. Transmission Electron Microscope | Britannica
2. Electron Microscopy Techniques for Investigating Structure and Composition of Hair-Cell Stereociliary Bundles | Frontiersin
3. TEM sample preparation techniques | The University of Gothenburg
4. Transmission Electron Microscope | Micrscopemaster
5. Transmission Electron Microscope | Nanoscience
6. transmission electron microscope | Science Direct
7. Galleries | UNIVERSITY OF ALBERTA
8. Assessment of cultured fish hepatocytes for studying cellular uptake and (eco)toxicity of nanoparticles | Environmental Chemistry

يشيع استخدام العزل الرغوي داخل الجدران لتحسين كفاءة الطاقة في المباني. يساعد على تقليل فقدان الحرارة في الشتاء وزيادة الحرارة في الصيف، مما قد يؤدي إلى انخفاض فواتير الطاقة وبيئة داخلية أكثر راحة. بالإضافة إلى تحسين كفاءة الطاقة، يمكن أن يساعد عزل الرغوة أيضًا في تقليل انتقال الضوضاء بين الغرف ومن الخارج. يمكن أن يساعد أيضًا في منع دخول الرطوبة إلى الجدران، مما قد يؤدي إلى ظهور العفن والمشاكل الأخرى المتعلقة بالرطوبة. كما يوفرمزايا أخرى تجعله خيارًا شائعًا للبناة وأصحاب المنازل على حد سواء.

ما هو تاريخ ومستقبل العزل الرغوي؟

يعود تاريخ عزل الرغوة إلى عدة عقود، مع التطورات والابتكارات في المواد والتقنيات التي تساهم في استخدامها على نطاق واسع اليوم. فيما يلي نظرة عامة موجزة عن تاريخ عزل الرغوة [1] :

التطورات المبكرة: تعود جذور العزل الرغوي إلى منتصف القرن العشرين عندما بدأ الباحثون بتجربة مواد مختلفة لتحسين عزل المبنى. واحدة من أقدم أشكال العزل الرغوي كانت رغوة البوليسترين الموسعة ، والتي تم تطويرها في الأربعينيات من القرن الماضي واكتسبت شعبية بسبب وزنها الخفيف وخصائصها العازلة.

من ثم في الخمسينيات من القرن الماضي، تم إدخال عازل رغوة البولي يوريثان. يوفر هذا النوع من العزل الرغوي قدرات عزل فائقة ويمكن رشه أو حقنه في الجدران والسندرات والأماكن الأخرى. اكتسبت رغوة البولي يوريثان زخمًا سريعًا في صناعة البناء نظرًا لتعدد استخداماتها وفعاليتها.

بعد ذلك، خلال الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي، تم إحراز مزيد من التقدم في تقنية عزل الرغوة بالرش. أحدث تطوير رغوة الرش ثنائية المكونات، والتي تضمنت خلط المواد الكيميائية في الموقع لإنشاء رغوة متوسعة، مما يُعتبر ثورة في الصناعة. سمح ذلك بتحكم أفضل في تمدد الرغوة وتحسين قدرتها على سد الفجوات والفجوات.

في فترة الستينيات بالتحديد، أصبحت مواد العزل الرغوية الصلبة مثل البوليسترين الموسع ورغوة البولي أيزوسيانورات (بولي إيزو) مستخدمة على نطاق واسع. كانت هذه المواد شائعة الاستخدام في البناء التجاري والسكني لعزل الجدران والأسقف والأساسات.

في السنوات الأخيرة، كان هناك تركيز متزايد على خيارات العزل الصديقة للبيئة. وقد أدى ذلك إلى تطوير مواد عزل رغوية أكثر استدامة، مثل الرغاوي الحيوية المصنوعة من موارد متجددة مثل زيت الصويا أو زيت الخروع.

يستمر مجال عزل الرغوة في التطور مع البحث والتطوير المستمر. تعمل التركيبات الجديدة وتقنيات التركيب المحسّنة ومعايير كفاءة الطاقة المحسّنة على دفع الصناعة إلى الأمام. تهدف الابتكارات في مجال العزل الرغوي إلى توفير أداء حراري أفضل ومقاومة للرطوبة والسلامة من الحرائق واستدامة عامة.

ما هي المواد المستخدمة في العزل الرغوي؟

هناك عدة أنواع من عوازل الرغوة التي يمكن استخدامها داخل الجدران، بما في ذلك رغوة الرش، والرغوة الصلبة، وألواح الفوم. تعتبر رغوة الرش خيارًا شائعًا لأنه يمكن تطبيقها بسهولة على المساحات غير المنتظمة ويمكن أن تتوسع لملء الفجوات والشقوق. تعتبر الرغوة الخشنة والألواح الرغوية فعالة أيضًا في عزل الجدران ويمكن أن توفر دعمًا هيكليًا إضافيًا. تشمل الأنواع الأكثر شيوعًا لمواد العزل الرغوي ما يلي [2,3] :

رغوة البولي يوريثان – Polyurethane foam: هذا نوع من عازل رغوة الرش يتم تصنيعه عن طريق خلط مادتين كيميائيتين معًا. عندما يتم الجمع بين المواد الكيميائية، فإنها تتفاعل وتتوسع لملء الفراغ حيث يتم تثبيت العزل. تشتهر رغوة البولي يوريثان بخصائصها العازلة الممتازة وقدرتها على سد الفجوات والشقوق في الجدران.

رغوة البولي أيزوسيانورات – Polyisocyanurate foam: هذا نوع من العزل الرغوي الصلب الذي يتم تصنيعه عن طريق الجمع بين الإيزوسيانورات والبولي يوريثان. تُعرف رغوة البولي أيزوسيانورات بقيمتها العالية من مقياس المقاومة الحرارية، مما يجعلها عازلًا فعالًا للجدران والأسقف ومناطق أخرى من المبنى.

الرغوة الفينولية – Phenolic foam: هذا النوع من العزل الرغوي مصنوع من راتنج الفينول فورمالدهايد وهو معروف بمقاومته الممتازة للحريق وانبعاثات الدخان المنخفضة. غالبًا ما تستخدم الرغوة الفينولية في المباني التجارية وغيرها من المناطق التي تكون فيها السلامة من الحرائق أولوية قصوى.

رغوة البوليسترين الموسع – Expanded polystyrene foam: هذا نوع من عازل الرغوة الذي يتم تصنيعه عن طريق تسخين وتوسيع حبيبات البوليسترين. رغوة البوليسترين الموسعة خفيفة الوزن وسهلة التركيب وتوفر عزلًا جيدًا للجدران والأسقف والأساسات.

توفر مواد العزل الرغوي مجموعة من الفوائد، بما في ذلك العزل الحراري الممتاز ومقاومة الرطوبة ومقاومة الحريق. يعتمد اختيار المواد على الاحتياجات المحددة للمبنى وتفضيلات المنشئ أو صاحب المنزل.

ما هي استخدامات الرغوة العازلة؟

فيما يلي بعض الاستخدامات الشائعة لعزل الرغوة [3] :

عزل المباني ومجاري الهواء والتكييف: يتم استخدام العزل الرغوي لعزل مجاري الهواء (التدفئة والتهوية وتكييف الهواء). تمنع القنوات العازلة فقدان الحرارة أو اكتسابها أثناء توزيع الهواء المكيفز وكذلك في الجدران والأسقف والسندرات والأساسات لتقليل انتقال الحرارة وتقليل تسرب الهواء والحفاظ على درجات حرارة داخلية مريحة. مما يحسن الكفاءة الكلية لنظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. يساعد في الحفاظ على درجات حرارة ثابتة، وتقليل هدر الطاقة، وتحسين جودة الهواء الداخلي.

عزل الأنابيب: يستخدم العزل الرغوي لعزل الأنابيب في الأماكن السكنية والتجارية والصناعية. يساعد على منع فقدان الحرارة أو اكتسابها من أنابيب المياه الساخنة أو الباردة، وتحسين كفاءة الطاقة وتقليل مخاطر التجمد أو التكثيف. يقلل عزل الأنابيب أيضًا من انتقال الحرارة إلى المساحات المجاورة، مما يضمن الأداء الأمثل ويقلل من تكاليف الطاقة.

عازل للصوت: يتم استخدام مواد العزل الرغوية، خاصة تلك ذات خصائص امتصاص الصوت، لتطبيقات عزل الصوت. يتم استخدامها في الجدران والسقوف والأرضيات لتقليل انتقال الضوضاء بين الغرف أو من المصادر الخارجية. يساعد العزل الرغوي على إنشاء بيئات أكثر هدوءًا وأكثر راحة من الناحية الصوتية في المساحات السكنية والتجارية والترفيهية.

التعبئة والتغليف والشحن: يتم استخدام العزل الرغوي في مواد التعبئة والتغليف لحماية العناصر الهشة أو الحساسة أثناء النقل. توفر الحشوات الرغوية أو الألواح الرغوية أو عبوات الرغوة المصبوبة حسب الطلب توسيدًا وامتصاصًا للصدمات، مما يمنع التلف الناتج عن التأثيرات أو الاهتزازات. يساعد العزل الرغوي أيضًا على عزل المنتجات الحساسة للحرارة، مثل الأغذية أو الأدوية، أثناء الشحن.

السيارات ومركبات الفضاء: تُستخدم مواد العزل الرغوية في الأجزاء الداخلية للمركبة، ومقصورات المحرك، وكبائن الطائرات، وغيرها من المناطق التي تتطلب خصائص العزل. يساعد على تنظيم درجة الحرارة وتقليل الضوضاء وتعزيز راحة الركاب.

هذه مجرد أمثلة قليلة للتطبيقات المتنوعة لعزل الرغوة. إن تعدد استخداماته وخصائصه الحرارية وقدرته على سد الفجوات والتجاويف تجعله مادة قيّمة في مختلف الصناعات حيث يكون العزل والحماية وكفاءة الطاقة أمرًا ضروريًا.

ما هو تأثير العزل الرغوي على البيئة؟

يمكن أن يكون لعزل الرغوة تأثيرات إيجابية وسلبية على البيئة، اعتمادًا على نوع الرغوة المستخدمة وتركيبها وطرق التخلص منها. فيما يلي بعض التأثيرات البيئية لعزل الرغوة [4] :

تحسين كفاءة الطاقة: من خلال تقليل انتقال الحرارة وتقليل تسرب الهواء، يساعد عزل الرغوة على تقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري المرتبطة بالتدفئة والتبريد. هذا يؤدي إلى تقليل البصمة الكربونية للمباني ويساهم في بيئة مبنية أكثر استدامة.

استهلاك الموارد: يتطلب إنتاج مواد العزل الرغوي استخدام موارد غير متجددة مثل الوقود الأحفوري والمواد الكيميائية. يمكن أن ينتج عن عملية التصنيع أيضًا نفايات وانبعاثات تساهم في تلوث الهواء والماء. ومع ذلك ، فإن بعض مواد العزل الرغوي، مثل الرغاوي الحيوية المصنوعة من موارد متجددة، يمكن أن تقلل من الأثر البيئي لاستهلاك الموارد.

المواد الكيميائية والسموم: تحتوي بعض مواد العزل الرغوي على مواد كيميائية يمكن أن تكون ضارة بصحة الإنسان والبيئة. على سبيل المثال، مادة الأيزوسيانات والتي يمكن أن تسبب مشاكل في الجهاز التنفسي وتهيج الجلد. يمكن أن يؤدي التركيب السليم والتعامل مع العزل الرغوي إلى تقليل التعرض لهذه المواد الكيميائية.

غير قابلة للتحلل البيولوجي: قد يكون من الصعب التخلص من مواد العزل الرغوية، لأنها غير قابلة للتحلل البيولوجي ويمكن أن تشغل مساحة في مدافن النفايات. يمكن أن يؤدي التخلص غير السليم من عازل الرغوة أيضًا إلى تلوث البيئة. ومع ذلك، يمكن إعادة تدوير بعض مواد العزل الرغوية أو إعادة استخدامها، مما يقلل من تأثيرها على البيئة.

يمكن أن يكون لعزل الرغوة تأثير إيجابي على البيئة من خلال تحسين كفاءة الطاقة وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ومع ذلك، فمن المهم النظر في الآثار البيئية المحتملة للمواد العازلة الرغوية واتخاذ خطوات لتقليل آثارها السلبية. يمكن أن يساعد التركيب السليم للعزل الرغوي والتعامل معه والتخلص منه في تقليل تأثيره على البيئة.

المصادر

1. Spray Foam Systems | A Brief History of Spray Foam Insulation
2. GlobalSpec | Foam Insulation
3. Trocellen | Foam Materials
4. Lofteaze | The Environmental Impact of Spray Foam Insulation: What You Need to Consider

يمكن إزاحة الوسخ أو كنسه تحت البساط، بيد أنه يقتضي الاهتمام به عاجلا أم آجلا. أما “الوسخ” في العلوم الفيزيائية فيمكن أن يكون اضطرابا في البنية، أو شوائب في المواد، أو تعارضا بين تفاعلات. فالوسخ يفسد الترتيب. إذ يستطيع قدر كاف من العشوائية وعدم الكمال واللانسجام أن يخرب التناظرات الأصيلة التي تسهل الوصف الفيزيائي إلى أبعد الحدود. وقد ترِكَ الوسخ طوال معظم تاريخ الفيزياء جانبا. ودرس الفيزيائيون بدلا منه النظم المرتبة كالبلورات التامة. إلا أنهم بحلول أوائل السبعينات شعروا بأنهم ملزمون بمواجهة خلل في الإنتظام. وبدأ الوسخ الذي قد تراكم فى أروقة العلم يتحلل. ولقد كانت دراسة المواد الزجاجية السبينية (Spin glasses)  إحدى أنجح المحاولات لفهم تلك النظم المضطربة. إن النماذج الرياضية لهذه المواد هي طرز أولية لمسائل معقدة في علم الحاسوب والكيمياء الحيوية وغيرها من العلوم. فما هي تلك المواد؟ وكيف نشأت؟

ماهي المواد الزجاجية السبينية؟

حالة الطاقة المنخفضة  أو The Ground State.

في البداية لنتفق على أن كل الأنظم تميل إلي الاستقرار وإلى الوصول إلى حالة ذات طاقة دنيا. فعند إحداث اضطراب ما بين ذرات المادة كرفع درجة حرارة _إلى درجة الحرارة الحرجة (Critical Temperature)_ قد تعانى تلك المادة انتقالا طوريا من حالة إلى حالة.[1] وبرفع ذلك المؤثر وانخفاض درجة الحرارة تتخذ الذرات ترتيبا يضمن لها أقل طاقة. [2]

إذا نظرت إل المواد الصلبة كملح الطعام مثلا، تجد أن ذرات الصوديوم والكلوريد يتخذان في الفراغ شكلا بلوريا منتظما يضمن لهم طاقة أقل واستقرارا أكثر، وكذا كل أشكال المواد الصلبة. وعلى النقيض الآخر، نجد بأن السوائل تفتقر إلى هذا الترتيب وتتحرك ذراتها أو جزيئاتها بصورة غير منتظمة وتأخذ أشكال الحاوية الموضوعة فيها. أما في حالة الزجاج، فنجد أنه ينتمي إلي فئة خاصة من المواد الصلبة غير البلورية. أي أنه صلب في درجات الحرارة العادية، غير أنه يفتقر إلى الترتيب البلوري المنتظم كالسوائل.

ومن الممكن اعتبار الزجاج السبيني في بنيته مماثلا لبنية الزجاج. فهو قد يتكون من بعض ذرات الحديد المبعثرة في شبيكة من ذرات النحاس، إلا أن خواصه معقدة جدا، وأحيانا تكون غير قابلة على نحو مضجر للتنبؤ بها. و”السبين” هنا هو السبين الميكانيكي الكمومي للإلكترونات الذي تنشأ عنه المغناطيسية.[3] أما ما نقصد ب”مادة زجاجية” فقد يخيل للقارئ للوهلة الأولى لحظة قراءة ذلك المصطلح، أن لفظة “زجاجية” تشير إلى صفة الزجاج الذي نراه في حياتنا اليومية. ولكنها تشير إلى حالة لوصف النظم المضطربة أو المتسخة كما ذكرنا سابقا. إذ هو خلل في انتظام توجهات السبينات وتفاعلاتها. إن الخصائص المثيرة للاهتمام العائدة للزجاج السبيني، وكذا ديناميكاتها ودرجة تعقيدها هي كلها ناشئة عن تفاعلات مغناطيسية بين ذراتها. فبعض الذرات تتصرف كما لو كانت قضبانا مغناطيسية، فتولد حقولا مغناطيسية وتخضع لحقول مغناطيسية. ولكي نفهم مالمقصود بذلك علينا إيضاح بعض المفاهيم المتعلقة بالخواص المغناطيسية أولا.

الخاصية المغناطيسية الحديدية (ferromagnetism)  والخاصية المغناطيسية الحديدية المضادة (Antiferromagnetism)

من المعروف أن ذرات الحديد تتميز بسلوك مغناطيسي. فعند تعرضه لحقل مغناطيسي خارجي، تسعى ذراته للاصطفاف في اتجاه محدد. ويعلل هذا الاصطفاف خواص الحديد المغناطيسية القوية، ولهذا فإنه يسمى ( المغنيطيسية الحديدية) (Ferromagnetism)  رغم أنه موجود أيضا في الكوبالت والنيكل ومواد أخري كثيرة.[4] وتنتج المغنيطيسية الحديدية من الطبيعة الميكانيكية الكمومية للإلكترونات الداخلية لهذا المعدن، حيث تجعل من المحبذ طاقيا للعزوم المغناطيسية الخاصة بالذرات المتجاورة أن تكون متوازية.

وبعبارة أخرى، إذا كان العزمان المغناطيسيان لذرتين متجاورتين ذواتي مغناطيسية حديدية يشيران إلى اتجاه واحد، فإنه لابد من بذل طاقة لقلب أحد العزمين المغناطيسيين إلى الإتجاه المعاكس. وعلى النقيض، إذا كان العزمان ذا اتجاهين متعاكسين تتحرر طاقة حين جعلهما متوازيين. ومن ثم تكون الطاقة المغناطيسية الكلية ذات قيمة صغرى إذا ما اتجهت العزوم المغناطيسية لجميع الذرات في اتجاه واحد.

إن إضافة طاقة حرارية لمادة الحديد يمكن أن يؤثر على اصطفاف السبينات. [5] فإذا سخِّن حديد نقي إلى درجات حرارة عالية فإن الطاقة الحرارية تتغلب علي التفاعلات المغناطيسية الحديدية. بحيث يتغير اتجاه كل عزم مغناطيسي من لحظة إلى أخري عشوائيا. ويمكن لصورة فتوغرافية لذرات الحديد أن تبين لنا أن عدد العزوم المغناطيسية المتجهة إلى الأعلي يساوي وسطيا العدد المتجه إلى الأسفل. كذلك الحال فيما يتعلق باليمين واليسار، وبالأمام والخلف. ويكون المجموع المتجه لجميع العزوم المغناطيسية، أو التمغنط الصافي صفرا. ويعرف الحديد في هذا الطور بأنه مادة (موافقة التمغنط) (Paramagnetic). وحين تخفض درجة حرارة الحديد، تصبح التفاعلات بين العزوم المغناطيسية هي الغالبة. ومن ثم تسعى العزوم إلى الاصطفاف فى حالة ذات طاقة دنيا. فتصطف في اتجاه واحد.

وبالمقابل يسود في أنواع أخرى من المواد ضرب مختلف من الترتيب في حالاتها منخفضة الطاقة. فذرات الكروم المتجاورة مثلاً تسعى لصف عزومها المغناطيسية في اتجاهات متعاكسة. فإذا ما اتجهت إحدى الذرات إلى أعلى اتجه عزم الذرة المجاورة إلى أسفل. ولما كان هذا السلوك مضادا لسلوك الحديد سميت هذه الخاصية ب ( المغنيطيسية الحديدية المضادة) (Antiferromagnetism) .

وتبدي المواد الزجاجية السبينية، على نحو لافت للنظر، خواص مغنيطيسية حديدية ومغنطيسية حديدية مضادة معاً. فمثلا، إذا مزجت بضعة أجزاء من الحديد ب 100 جزء من النحاس. فإن ذرات الحديد، التي تتفاعل عادة على نحو مغناطيسي حديدي، تستطيع الآن التفاعل على نحو مغناطيسي حديدي مضاد أيضا. وتسمي هذه العملية بالإشابة المغناطيسية (Alloy). وهو ما تحدثنا عنه في بداية المقال بالنظم المتسخه. فبإحداث قليل من الإشابة يمكنك الحصول على اضطراب فى النظام.

نجد أن إلكترونات التوصيل، التي تتحرك بحرية خلال النحاس، هناك سبين (spin) يتأثر بذرة الحديد المضافة علي نحو غريب بعض الشئ. وعلي مسافة معينة نجد أن ذرة الحديد قد أثرت علي اسبينات إلكترونات التوصيل لتوازي سبينها الخاص. ولكن علي مسافة أبعد قليلا تكون اسبينات الإلكترونات معاكسة لسبين ذرة الحديد. ثم علي مسافة أكثر بعدا تكون السبينات موازية، وهلم جرا.

إن نتيجة هذا السلوك المزدوج هي أنه يمكن لذرة ذات سبين معين ألا تكون قادرة على التوجه بحيث تحقق تفاعلها مع كل الذرات الأخرى في المواد الزجاجية السبينية. ولنتخيل ثلاث ذرات من الحديد موزعة عشوائيا في شبيكة من النحاس. فالذرة الأولي تتفاعل مع الثانية علي نحو مغناطيسي حديدي مضاد. في حين يكون التفاعلان بين الأولى والثالثة، وبين الثانية والثالثة مغناطيسيين حديدين. وليس هناك ثمة سبيل لتحقيق كل التفاعلات في وقت واحد. فإذا كان كان سبين الذرة الأولى متجها إلي أعلي مثلا، وجب أن يتجه سبين الثانية إلي أسفل. أما الثالثة فيفترض أن توجه سبينها في نفس اتجاه كل من الأولى ( السبين إلي الأعلي) والثانية ( السبين إلي الأسفل) . وإن أي ترتيتب سوف يخل بواحد من التفاعلات علي الأقل. ويسمي النظام الذي لايمكن تحقيق كل تفاعلاته في آن واحد (محبطا) (Frustrated).

إن إحدي نتائج الإحباط أو ال Frustration  هو إمكان وجود حالات كثيرة منخفضة الطاقة للمادة الزجاجية السبينية. [6] كما هو موضح بالشكل. إن البحث عن حالة منخفضة الطاقة من تلك الحالات يتطلب التسخين والتبريد_ أي الإحماء_ مشابها للصعود والهبوط. فإذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدا، فإن النظام سيبقي في واد ضحل زمنا طويلا جداً. وبرفع درجة الحرارة يتاح للنظام مزيد من الطاقة للاستكشاف، إذا جاز التعبير. وفي وسع سبيناته أن تنقلب بسهولة، ومن ثم يزداد احتمال تملصه من الأودية الضحلة (طاقة أقل) ( كما هو موضح بالشكل)، ويستطيع محاولة تجريب كثير من التشكيلات السبينية المحتملة أكثر من سواها، التي يمكن أن يكون لبعضها طاقة أخفض من طاقة الحالة الإبتدائية.

وعلي هذا فإن ثمة خوارزمية بسيطة لإيجاد حالة منخفضة الطاقة نسبياً لزجاج سبيني، هي بمحاكاة درجة حرارة عالية (عندما يستطيع النظام، من حيث المبدأ أن يجرب أي حالة) ثم تبريد النظام ببطء بحيث يستقر في حالة أقل طاقة. فإذا علق مؤقتاً في مرحلة مبكرة، في واد عالي الموقع، فإنه يبقي لديه مع ذلك فرصة جيدة للانسحاب إلي أقرب ممر للبحث عن واد أعمق ( طاقة أقل). وبعد عدة دورات من التسخين والتبريد تصبح الخوارزمية ذات احتمال كبير لإعطاء حل جيد_ أي حالة منخفضة الطاقة_ ولو أن فرصة إيجاد الحل الأفضل مصادفة في ذلك الفضاء الضخم ضئيلة إلي أبعد حد.

طور جديد من المواد أم مجرد قطعة مغناطيس

إن التحول من سائل إلي بلورة، أو من مادة موافقة التمغنط إلي مادة حديدية التمغنط، عند انخفاض درجة الحرارة هو انتقال طوري حقيقي. ذلك أن الحالات الناشئة تحتفظ بترتيب متميز طوال المدة التي يحافظ أثنائها علي درجة الحرارة. ومن جهة أخري، فإنه حتي لو بدا أن الزجاج العادي يمثل طوراً جديدا فإنه، أساسا سائل: فهو يسيل بمعدل بطئ مذهل بحيث يبدو صلباً.

وبالمثل يمكن للمواد الزجاجية السبينية أن تكون طوراً متميزاً من مادة ذات ترتيب مغناطيسي، أو اصطفاف سبيني يدوم طوال المدة التي يحافظ أثنائها علي درجة الحرارة المنخفضة. ومن ناحية أخري، يمكنها أن تكون مواد متوافقة التمغنط تباطأت خواصها الديناميكية كثيرا بحيث تبدو أنها لاتكوِن سوي (طور ساكن) Static phase. ولو لوحظ أن سبينات مادة زجاجية سبينية، محفوظة في درجة حرارة منخفضة تغير توجهها، لاستطاع المرء أن يستنتج أنها مجرد مغناطيس من مادة موافقة التمغنط (Paramagnetic).

بالنظر إلي الصورة الموضحة، نري أن الزجاج السبيني يحافظ على صورته أطول فترة ممكنة من الزمن بانخفاض درجة الحرارة. فهو عالق في إحدي الأودية الضحلة التي عندها تتسم سبيناتها بخواص ديناميكية بطيئة للغاية وهو ما يشبه خواص الزجاج العادي. أما علي النقيض الآخر، فنري في حالة الحديد أنه بانخفاض درجة الحرارة فيتحول من طور المادة متوافقة المغناطيسية إلي طور المغناطيسية الحديدية بمعدل سريع للغاية.

ومن هنا نخلص أن مكونات الزجاج السبيني هي:

1. وجود إحباط نتيجة قيود هندسية في الشكل أو اضطراب في النظام كالشوائب.
2. درجة حرارة منخفضة لاتاحة الفرصة للوقوع في واد ضحل (طاقة أقل).
3. خواص ديناميكية بطيئة تجعله تجعله معلق في أحد اأودية الضحلة لمدة طويلة.

تطبيقات الزجاج السبيني

دراسة طيات البروتينات Protein Folding

باستخدام نماذج الزجاج السبيني في الكيمياء الحيوية، يمكن للباحثين فهم وتحليل طيات البروتينات. فمن الممكن اعتبار المجموعات الأمينية المكونة للبروتينات كالسبينات (أو كقضبان المغناطيس كما أشرنا) في الزجاج السبيني. وبدوران تلك المجموعات يمكن اكتشاف ماهو الشكل الذي يضمن أقل للطاقة للبروتين ككل و أكثر استقرارا. وتمكننا نماذج الزجاج السبيني من فهم كيف طورت الخلايا من الآليات التي تمكنها من التغلب علي عملية الإحباط في دوران البروتينات, لتنتج لنا أشكالاً أكثر استقرارا. وعلي النقيض، فإن أي خلل في طيات البروتينات قد تنتج أشكالاً من الممكن أن تؤدي إلي أمراض.

المصادر

1- Critical Temperature

2-Energy Minimization

3-Quantum Spin

4-Ferromagnetism

5-The Science of magnets and temperature

6-Frustration and ground-state degeneracy in spin glasses

تعتبر الكثافة خاصية مهمة لها العديد من التطبيقات في المجالات العلمية والبيئية المختلفة، بما في ذلك الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد. لذا يمكن استخدامها لتحديد المواد وتصنيفها، وكذلك للتنبؤ بكيفية تصرفها في ظل ظروف مختلفة. على سبيل المثال، يمكن أن تساعد كثافة مادة ما في تحديد ما إذا كانت ستطفو أو تغرق في الماء، أو ما إذا كانت ستكون صلبة أو سائلة أو غازية عند درجة حرارة وضغط معينين.

إن فهم كثافة المواد والتحكم فيها، يُمكن العلماء والمهندسين من تطوير مواد جديدة بخصائص محددة، وتصميم الأجهزة والهياكل لتناسب التطبيقات المقصودة. الكثافة هي خاصية مادية تعبر عن علاقة كتلة المادة بالحجم. كلما زادت كتلة الجسم في مساحة معينة، زادت كثافته. ومع ذلك، لا ترتبط هذه العلاقة فقط بمدى تقارب ذرات عنصر أو جزيئات المركب معًا. تتأثر الكثافة أيضًا بالكتلة الذرية للعنصر أو المركب. نظرًا لأن المواد المختلفة لها كثافة مختلفة، فإن قياسات الكثافة تعد وسيلة مفيدة لتحديد المواد. يمكن أحيانًا الخلط بين الكثافة والوزن في أذهاننا لأن كثافة جسمين متساويين في الحجم ستكون أثقل. نستنتج أن العلاقة بين الكتلة والحجم هي التي تحدد الكثافة وليس الحجم أو الكتلة وحدهما، أو حتى مدى قرب الذرات أو الجزيئات [1].

تطبيقات الكثافة في المجالات العلمية المختلفة

الكثافة خاصية أساسية للمادة لها العديد من التطبيقات المهمة في العلوم. فيما يلي بعض الأمثلة على كيفية استخدام الكثافة في المجالات العلمية المختلفة [2,3] :

• في الجيولوجيا: تستخدم الكثافة لدراسة تكوين الصخور والمعادن. ويمكن أن تساعد كثافة الصخور أو المعادن الجيولوجيين في تحديد عمرها، ومنشأها، وتركيبها الكيميائي.
• في علم الأحياء: تستخدم الكثافة لدراسة بنية الخلايا والأنسجة. إذ يمكن أن تساعد كثافة الخلايا والأنسجة علماء الأحياء على فهم كيفية عملها وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض.
• في الهندسة: تستخدم الكثافة لتصميم الهياكل والمواد. وتساعد كثافة المادة المهندسين في تحديد قوتها وقدرتها على تحمل الحرارة وقدرتها على توصيل الكهرباء.
• في الكيمياء: تستخدم الكثافة لتحديد وتصنيف المواد. فلكل مادة كثافة فريدة يمكن استخدامها لتمييزها عن المواد الأخرى. على سبيل المثال، تبلغ كثافة الماء 1 جم/سم³، بينما تبلغ كثافة الإيثانول 0.79 جم/سم³. من خلال قياس كثافة مادة غير معروفة، يمكن للكيميائيين تحديد ماهيتها ومدى نقاوتها. انظر إلى الجدول للحصول على أمثلة لكثافة المواد الشائعة.

• في الفيزياء: تستخدم الكثافة لوصف سلوك السوائل. على سبيل المثال، تؤثر كثافة الهواء على كيفية انتقال الموجات الصوتية من خلاله. تؤثر كثافة الغاز أيضًا على قابليته للطفو وكيف يتصرف في ظروف مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر كثافة المادة على الموصلية الحرارية، وهو أمر مهم لفهم كيفية انتقال الحرارة من خلال المواد المختلفة.

بعض تطبيقات الكثافة العملية في العلوم المختلفة

• لدراسة باطن الأرض: تختلف كثافة باطن الأرض باختلاف الأعماق. وذلك لأن باطن الأرض يتكون من طبقات مختلفة من المواد، ولكل منها كثافتها الفريدة. ومن خلال دراسة كثافة باطن الأرض، يمكن للعلماء معرفة المزيد عن تكوينها وهيكلها.
• لحساب الطفو: الطفو هو القوة التي تدفع الجسم لأعلى في السائل. وبالتالي مقدار الطفو الذي يختبره الجسم يساوي وزن السائل الذي يزيحه. تعد كثافة السائل أحد العوامل التي تحدد مقدار الطفو الذي يمر به الجسم. كما ينص مبدأ أرخميدس على أن قوة الطفو على جسم مغمور تساوي وزن السائل المزاح. يمكن استخدام هذا المبدأ لحساب كثافة الجسم عن طريق قياس كمية الماء التي يزيحها. يستخدم هذا المبدأ في تقدير حجم الغاطس للسفن العملاقة، فيدفعها لتخفيف حمولتها أو تحديد مسارها بحسب غاطس الممر الملاحي. وتعبر السفن العملاقة ذات الغاطس شديد العمق من طريق رأس الرجاء الصالح بدلًا من قناة السويس المصرية.

• لتحديد معدل الانتشار: معدل الانتشار هو السرعة التي تنتشر بها المادة عبر غاز أو سائل. لذلك تعد كثافة المادة أحد العوامل التي تحدد معدل الانتشار. ستنتشر المادة الأقل كثافة بسرعة أكبر من المادة الأكثر كثافة.

هذه ليست سوى عدد قليل من الطرق العديدة التي تستخدم بها الكثافة في العلوم.

الكثافة في الحياة البحرية

فيما يلي بعض الأمثلة على مدى صلة الكثافة بالحفاظ على المياه [1-5]:

1. حرارة المياة بين الأعلى والأسفل: تعتبر كثافة الماء عاملاً مهماً في البيئة وتؤثر على حركة المياه في الأنهار والبحيرات والمحيطات. حيث تبلغ كثافة الماء القصوى 4 درجات مئوية، مما يعني أن المياه الباردة تغرق وترتفع المياه الأكثر دفئًا. تساعد هذه العملية، المعروفة باسم الحمل الحراري، على مزج المياه في البحيرات والمحيطات، مما يعد أمر مهم للحفاظ على النظم البيئية الصحية.
2. في السلسلة الغذائية: تساعد التيارات الحرارية على مزج الماء وتوزيع العناصر الغذائية في جميع أنحاء البحيرة. هذا مهم لنمو الطحالب والنباتات الأخرى، التي تعتبر طعامًا للأسماك والحيوانات المائية الأخرى.

بشكل عام، تعد كثافة الماء عاملاً مهمًا يؤثر على حركة المياه في البيئة. كما يلعب دورًا في اختلاط الماء وتوزيع الحرارة وتشكيل العواصف. كل هذه العمليات مهمة للحفاظ على النظم البيئية السليمة ومناخ الأرض.

أثر الكثافة للحفاظ على البيئة

1. المناخ: تساعد التيارات الحرارية على توزيع الحرارة من خط الاستواء إلى القطبين. يساعد هذا في تعديل درجة حرارة الأرض وإنشاء المناطق المناخية التي نعرفها اليوم.
2. الهواء: تلعب تيارات الحمل أيضًا دورًا في تكوين العواصف. عندما يرتفع الهواء الدافئ الرطب، يبرد ويتكثف ويشكل السحب. إذا أصبحت الغيوم ثقيلة جدًا ، فيمكنها إطلاق رطوبتها على شكل مطر أو ثلج. تؤثر كثافة الهواء على سلوك أنظمة الطقس، وكذلك حركة الملوثات والجسيمات الأخرى في الغلاف الجوي. وكذلك تؤثر كثافة الهواء أيضًا على كفاءة المحركات والتوربينات، وهو أمر مهم لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتحسين كفاءة الطاقة.
3. التربة: تؤثر كثافة التربة على قدرتها على دعم نمو النبات وتوفير العناصر الغذائية للنباتات. يمكن للتربة شديدة الكثافة أن تمنع جذور النبات من النمو بشكل صحيح، في حين أن التربة الرخوة يمكن أن تؤدي إلى التآكل وفقدان المغذيات. تعد كثافة التربة مهمة أيضًا لفهم كيفية تحرك المياه خلالها، وهو أمر مهم لإدارة موارد المياه ومنع تآكل التربة.
4. إدارة النفايات: تعد كثافة مواد النفايات عاملاً مهمًا في إدارة النفايات. فهي تؤثر على مقدار المساحة اللازمة لتخزين ونقل النفايات، فضلاً عن تكلفة التخلص من النفايات. يمكن ضغط المواد ذات الكثافة العالية، مثل المعادن والزجاج، بسهولة أكبر من المواد منخفضة الكثافة، مثل البلاستيك والورق.

يعد فهم كثافة المواد المختلفة وتطبيقاتها أمرًا مهمًا لإدارة الموارد الطبيعية ومنع التلوث.

أبحاث الكثافة المستقبلية

هناك العديد من المجالات التي من المحتمل أن تركز عليها الأبحاث المستقبلية. مثل [5,6] :

1. المواد المتقدمة: من المرجح أن يواصل الباحثون استكشاف خصائص المواد المتقدمة، مثل المواد النانوية والمواد الخارقة، التي لها خصائص فريدة مرتبطة بالكثافة. على سبيل المثال، يدرس الباحثون كيفية تأثير كثافة هذه المواد على الموصلية الحرارية والتوصيل الكهربائي وخصائص أخرى.
2. العلوم البيئية: مع استمرار تزايد المخاوف بشأن تغير المناخ والتدهور البيئي، يركز الباحثون على تأثير الكثافة على سلوك المواد في البيئة. مثلًا، يدرس الباحثون تأثير كثافة الملوثات على حركتها في الغلاف الجوي وأنظمة المياه، أو كيفية توظيف كثافة التربة في تحسين نمو النبات وامتصاص المغذيات.
3. الطاقة: الكثافة عامل مهم في إنتاج الطاقة وتخزينها، ومن المرجح أن يواصل الباحثون استكشاف تأثير الكثافة على كفاءة أنظمة الطاقة. مثلًا، يدرس الباحثون تأثير كثافة المواد على كفاءة البطاريات وخلايا الوقود، أو تأثير كثافة الوقود على خصائص احتراقه.
4. الصحة: الكثافة خاصية مهمة في علم الأحياء والطب، ويواصل الباحثون استكشاف تأثير الكثافة على سلوك الخلايا والأنسجة. مثلًا، يدرس العلماء تأثير كثافة الخلايا السرطانية على قدرتها على الانتشار وغزو الأنسجة الأخرى، أو تأثير كثافة العظام على قوتها ومقاومتها للكسر.

كما نرى، تعد دراسة الكثافة مجالًا غنيًا ومتنوعًا للبحث مع العديد من التطبيقات المحتملة في العلوم والتكنولوجيا. ومع تطوير مواد وتقنيات جديدة، ومع استمرار تطور فهمنا للعالم الطبيعي، من المرجح أن ينجح الباحثون في استكشاف خصائص وتطبيقات الكثافة في مجموعة واسعة من السياقات.

المصادر

1. Visionlearning | Density

2. Sciencing | Importance of Density

3. chem.libretexts | Density and its applications

4. water science school | water density

5. Paul, Igboji Ola and Nnenna Okey Nwankwo. “Characteristics of soil under different land use have enormous potential for checking erosion in Abakaliki, Southeastern Nigeria.” (2017).

6. Chen, Xiang et al. “Applying Machine Learning to Rechargeable Batteries: From the Microscale to the Macroscale.” Angewandte Chemie (International ed. in English) vol. 60,46 (2021): 24354-24366.

الكثافة وتطبيقاتها هي الكلمة التي غالبًا ما تجعل عيون الناس تتلألأ. إنه مرتبط بفصول علمية مملة ومعادلات رياضية معقدة. لكن ماذا لو أخبرتك أن الكثافة هي في الواقع مفهوم ممتع جدًا؟

على سبيل المثال، هل تعلم أن الفلين أقل كثافة من الماء، لذا فهو يطفو جزئيا؟ ولكن إذا أضفت ما يكفي من الملح إلى الماء، فستزداد كثافة الماء وسيطفو الفلين كليًا فوق سطح الماء. وذلك لأن جزيئات الملح تضيف كتلة إلى الماء دون زيادة حجم الماء كثيرًا. كما ترون ، فإن الكثافة مفهوم ممتع للغاية. الأمر كله يتعلق بكمية الأشياء التي يتم تعبئتها في مساحة معينة. إليك هذا المقال لتبسيط وتوضيح مفهوم الكثافة بشكل أعمق وكذلك العوامل المؤثرة عليه وتطبيقاته في حياتنا اليومية [1].

ما هي الكثافة؟

الكثافة هي خاصية فيزيائية تصف مقدار الكتلة لكل وحدة حجم للمادة. بمعنى آخر، إنه مقياس لمدى تماسك جزيئات المادة. معادلة الكثافة هي:

الكثافة = الكتلة / الحجم

يتم التعبير عن وحدات الكثافة عادةً بالكيلوجرام لكل متر مكعب (كجم/م  مكعب) أو بالجرام لكل سنتيمتر مكعب (جم/ سم مكعب)، ولكن الوحدات الأخرى مثل رطل لكل بوصة مكعبة (رطل / بوصة)

تمثل الكثافة وتطبيقاتها جزءً مهمًا في العديد من مجالات العلوم والهندسة، بما في ذلك الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد والجيولوجيا. يتم استخدامه لتحديد وتصنيف المواد، ولتحديد نقاء المادة، ولحساب طفو الأشياء في السوائل [1].

كيفية قياس الكثافة؟

هناك عدة طرق لقياس كثافة المادة، حسب طبيعة المادة ومستوى الدقة المطلوبة. فيما يلي بعض الطرق الشائعة [2]:

1. مبدأ أرخميدس: تتضمن هذه الطريقة قياس قوة الطفو على جسم مغمور في سائل. قوة الطفو تساوي وزن السائل الذي أزاحه الجسم ، ويمكن استخدامها لحساب كثافة الجسم. تُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع لقياس كثافة الأجسام أو المساحيق غير المنتظمة.
2. قياسات الكتلة والحجم: تتضمن هذه الطريقة قياس كتلة وحجم مادة ما مباشرة ، ثم حساب الكثافة باستخدام صيغة الكثافة = الكتلة / الحجم. تستخدم هذه الطريقة بشكل شائع لقياس كثافة السوائل والمواد الصلبة.
3. إزاحة الغاز: تتضمن هذه الطريقة قياس حجم الغاز المزاح بواسطة مادة صلبة أو سائلة عند غمره في الغاز. يمكن بعد ذلك حساب كثافة المادة باستخدام الصيغة الكثافة = الكتلة / الحجم. تستخدم هذه الطريقة بشكل شائع لقياس كثافة المواد الصلبة والسوائل غير القابلة للذوبان في الماء.
4. حيود الأشعة السينية: تتضمن هذه الطريقة قياس نمط حيود الأشعة السينية التي تمر عبر بلورة المادة. يمكن تحديد التباعد بين الذرات في البلورة من نمط الحيود ، ويمكن حساب كثافة المادة من التباعد الذري والوزن الجزيئي للمادة.
5. تتضمن هذه الطريقة قياس حجم كتلة معروفة من المادة باستخدام حاوية متخصصة تسمى.pycnometer يمكن بعد ذلك حساب كثافة المادة باستخدام العلاقة الكثافة = الكتلة / الحجم.

هذه ليست سوى عدد قليل من الطرق العديدة المتاحة لقياس كثافة مادة ما. يعتمد اختيار الطريقة على طبيعة المادة ومستوى الدقة المطلوبة والمعدات المتاحة.

ما هي العوامل التي تؤثر على الكثافة؟

يمكن أن تتأثر كثافة المادة بعوامل مختلفة مثل درجة الحرارة والضغط وتكوين المادة. على سبيل المثال، تقل كثافة الغاز مع زيادة درجة الحرارة، بينما تزداد كثافة السائل عمومًا مع انخفاض درجة الحرارة [3].

تتأثر الكثافة بعدة عوامل كاللآتي:

1. درجة الحرارة: تقل كثافة مادة ما بشكل عام مع زيادة درجة حرارتها. هذا لأنه مع ارتفاع درجة الحرارة ، تكتسب الجسيمات الموجودة في المادة طاقة حركية أكثر وتتحرك بشكل أسرع ، مما يؤدي إلى انتشارها واحتلال مساحة أكبر. نتيجة لذلك ، تصبح المادة أقل كثافة.

2. الضغط: يمكن أن تتأثر كثافة المادة أيضًا بالضغط. بشكل عام ، مع زيادة الضغط على مادة ما ، تزداد كثافتها أيضًا. وذلك لأن الجسيمات الموجودة في المادة تقترب من بعضها البعض ، مما يقلل من مقدار المسافة بينها ويزيد من كثافة المادة.

3. التركيب: يتم تحديد كثافة المادة أيضًا من خلال تكوينها. المواد المختلفة لها كثافة مختلفة لأن جزيئاتها مرتبة بشكل مختلف. على سبيل المثال ، تكون المعادن عمومًا أكثر كثافة من اللافلزات لأن ذراتها متماسكة بشكل وثيق.

4. حالة المادة: يمكن أن تختلف كثافة المادة أيضًا حسب حالة المادة. على سبيل المثال ، كثافة الغاز أقل بكثير من كثافة السائل أو المادة الصلبة لأن الجسيمات الموجودة في الغاز تكون متباعدة كثيرًا.

5. الشوائب: يمكن أن يؤثر وجود الشوائب في مادة ما على كثافتها. إذا تم خلط مادة مع مادة أخرى لها كثافة مختلفة ، فإن الخليط الناتج سيكون له كثافة في مكان ما بين الكثافتين الأصليتين.

يعد فهم العوامل التي تؤثر على الكثافة أمرًا مهمًا في العديد من مجالات العلوم والهندسة، بما في ذلك علوم المواد والكيمياء والفيزياء. من خلال التحكم في هذه العوامل، يمكن للعلماء والمهندسين معالجة كثافة مادة ما لتحقيق خصائص أو خصائص محددة.

ما أهمية الكثافة؟

تعتبر الكثافة خاصية مادية مهمة لها العديد من التطبيقات العملية في مختلف مجالات العلوم والهندسة. فيما يلي بعض الأسباب الرئيسية لأهمية الكثافة [3]:

1. تحديد وتصنيف المواد: كثافة المادة هي خاصية فريدة يمكن استخدامها لتحديد وتصنيف المواد. على سبيل المثال، يستخدم الجيولوجيون كثافة الصخور والمعادن لتحديد أنواع مختلفة من الصخور وتحديد تكوينها.

2. تحديد النقاوة: يمكن استخدام كثافة مادة لتحديد نقاوتها. إذا تم خلط مادة مع مادة أخرى لها كثافة مختلفة، فإن الخليط الناتج سيكون له كثافة في مكان ما بين الكثافتين الأصليتين. من خلال قياس كثافة الخليط، يمكن للعلماء تحديد درجة نقاء المادة.

3. حساب الطفو: كثافة المادة مهمة أيضًا لحساب طفو الأشياء في الموائع. ستطفو الأشياء الأقل كثافة من السائل الذي تغمره، بينما ستغرق الأشياء الأكثر كثافة. يستخدم هذا المبدأ في العديد من التطبيقات، مثل بناء السفن وتصميم الغواصات وتصميم أجهزة التعويم.

4. علم وهندسة المواد: تعتبر كثافة المادة عاملاً مهمًا في تحديد خواصها الميكانيكية، مثل القوة والصلابة والليونة. من خلال التحكم في كثافة المادة، يمكن للعلماء والمهندسين معالجة خصائصها لتحقيق خصائص محددة.

5. الكيمياء والفيزياء: كثافة المادة مهمة أيضًا في الكيمياء والفيزياء، حيث تُستخدم لحساب الخصائص المختلفة مثل الكتلة المولية والوزن الجزيئي والسعة الحرارية النوعية.

باختصار، من خلال فهم كثافة وتطبيقاتها وكيفية التحكم فيها، يمكن للعلماء والمهندسين تطوير مواد جديدة بخصائص وخصائص محددة، وتصميم الأجهزة والهياكل التي تم تحسينها للتطبيقات المقصودة.

ما هي تطبيقات الكثافة في الحياة اليومية؟

تلعب الكثافة وتطبيقاتها دورًا مهمًا في حياتنا اليومية، غالبًا بطرق قد لا ندركها. فيما يلي بعض الأمثلة عن كيفية تأثير الكثافة على حياتنا اليومية [3]:

1. الطبخ: الكثافة عامل مهم في الطبخ، وخاصة في الخبز. على سبيل المثال، تؤثر كثافة الدقيق على كمية الدقيق اللازمة لصنع كمية معينة من العجين، وتؤثر كثافة السكر على كمية السكر اللازمة لتحلية الوصفة.

2. النقل: الكثافة عامل رئيسي في النقل، لا سيما في تصميم المركبات. على سبيل المثال، تؤثر كثافة الوقود على المسافة التي يمكن للمركبة أن تقطعها على خزان الغاز، وتؤثر كثافة المواد المستخدمة في بناء السيارة على وزن السيارة وكفاءتها في استهلاك الوقود.

3. البناء: الكثافة مهمة أيضًا في البناء، حيث تؤثر على قوة ومتانة المواد. على سبيل المثال، تؤثر كثافة الخرسانة على قوتها الانضغاطية، وتؤثر كثافة الخشب على قوته ومقاومته للتعفن.

4. الصحة والطب: تستخدم الكثافة في التطبيقات الطبية المختلفة، مثل تحديد كثافة العظام لتشخيص هشاشة العظام، وقياس كثافة السوائل في الجسم لتشخيص حالات طبية معينة.

5. علم البيئة: تعتبر الكثافة مهمة في علوم البيئة حيث تستخدم لقياس كثافة ملوثات الهواء ولتحديد كثافة المياه في المسطحات المائية. تُستخدم هذه المعلومات لرصد وتنظيم مستويات التلوث ولحماية البيئة.

باختصار، تعتبر الكثافة وتطبيقاتها تؤثر على العديد من جوانب حياتنا اليومية، من الطهي والنقل إلى البناء وعلوم البيئة. من خلال فهم دور الكثافة في هذه التطبيقات، يمكننا اتخاذ قرارات مستنيرة وتطوير تقنيات جديدة محسّنة للأغراض المقصودة.

المصادر

1. Vision Learning | Density
2. Anton Paar | Density and density measurement
3. International Journal for Research in Applied Science and Engineering Technology | A Review Paper on Comparative Study of Density of Bituminous Layer by Various Methods