#محاضرة
هل يمكننا تحريك الذرات الواحدة تلو الأخرى؟
في عام ١٩٥٩ ألقى عالم الفيزياء العظيم ريتشارد فاينمان محاضرة غريبة تحت عنوان ( هناك حيز كبير في القاع!). تعتبر هذه المحاضرة بداية الانطلاق الحقيقية لثورة تقنية النانو التي نعيشها نحن الآن في القرن الحادي والعشرين. قال فاينمان (كل شيئ يعيش يمكن فهمه من خلال الهزهزة والتلوي في الذرات). لقد قامت شركة IBM بصنع أصغر فلم بالعالم؛ وهو فتى مصنوع من ذرات منفردة يلعب بكرة ذرية! سأضع لك رابط الفيديو في نهاية المقال. لكن دعنا الآن نغوص الى مستوى الذرات.
جميعنا قد استخدم المجهر الضوئي العادي، سواء في المدرسة أو في الجامعة أو مجهرك الخاص في منزلك. تقوم فكرة عمل المجهر العادي على ارسال حزمة ضوئية، ويجب أن يكون الطول الموجي وهو: المسافة بين قمتين أو قاعين في الموجة الضوئية (الشكل على اليمين)، يجب أن يكون بحجم الشيئ المراد رؤيته (الشكل على اليسار). فإذا أردنا تكبير حشرة معينة يجب أن يكون الطول الموجي للضوء بحجم الحشرة أو أصغر منها. أما اذا كان الطول الموجي أكبر فسنحصل على صورة مشوشة. لذلك المجهر الضوئي العادي له حدود، فلا يصلح لرؤية العالم الصغير كالفيروسات والخلايا. لرؤية تلك الأشياء علينا استخدام المجهر الالكتروني. نحن ندين إلى دي بروغلي وشرودينغر باكتشافهما أن الالكترون يتصرف مثل الضوء، فهو موجة أيضا، وهذا يعني أننا نستطيع بناء مجهر الكتروني. الطول الموجي للالكترون صغير جدا جدا، يصل الى حد ٣ نانو متر! بينما الضوء المرئي طول موجته من ٣٨٠ الى ٧٥٠ نانومتر. لاحظ الفرق الكبير بينهما. لهذا السبب يستخدم المجهر الالكتروني لعلم النانو والأشياء الصغيرة. لكن مازال حجم ٣ نانو متر كبير جدا على حجم الذرة المنفردة. لنأخذ مثلا ذرة السيليكون، والسيليكون من أهم المواد المستخدمة في تقنية النانو، حجم ذرة السيليكون هو ١.١٧ بيكو متر. والبيكو متر الواحد يساوي واحد على ترليون من المتر. اذا نستطيع أن نصف ٨ ذرات سيليكون في نانو متر واحد. والمجهر الالكتروني لا يرى عند ١ نانومتر أصلا، بل يرى عند ٣ نانومتر، وهذا يعني أننا لا نزال بعيدين عن رؤية ذرة واحدة منفردة بالمجهر الالكتروني.
يأتي الاختراق العظيم عام ١٩٨١، عندما تمكن العالمان الألماني جيرد بينيج مع العالم السويسري هاينرخ روهرير من اختراع (مجهر المسح النفقي) Scanning tunneling micrscope وقد نالا عليه جائزة نوبل عام ١٩٨٦، وهذا العام مميز لي لأني ولدت فيه smile رمز تعبيري لقد استفادوا من واحدة من أغرب خصائص ميكانيكا الكم وهي ظاهرة النفق الكمومي. لذلك نرى اسم المجهر على اسم هذه الظاهرة. تخيل أنه لديك الكترون ليس لديه ما يعمله سوى الاصطدام بالجدار، و هناك شخص جالس، أيضا ليس لديه ما يعمله سوى مشاهدة هذا الالكترون، طبعا بعينيه الخارقتين! سيرى في المرة الأولى أن الالكترون يصطدم بالجدار ويسقط ثم ينهض ويحاول مرة اخرى ويسقط وهكذا.. لكن في المحاولة التاسعه حدث شيئ غريب، فقد اخترق الالكترون الجدار بالضبط مثل الشبح الشهير كاسبر! طبعا ليس للموضوع علاقة مع الأشباح، فهذه الظاهرة تم التنبؤ بها منذ القرن العشرين عن طريق رياضيات ميكانيكا الكم الغريبة. الموضوع احتمالات، فعند احتمال معين سينفذ الالكترون من الحائط أو المواد الصلبة بشكل عام. في الحقيقة هناك احتمال صغير بشكل لا يوصف، لكن ممكن حسابه، بأن تنفذ أنت من الحائط! لكن تحتاج الى وقت أطول من عمر الكون بكثير حتى يحدث هذا الاحتمال الذي يستحيل حدوثه تقريبا. أعتقد أيضا بأن خشمك لن يصمد كل هذه المدة!
اليك الآن فكرة عمل مجهر المسح النفقي: يتكون هذا المجهر من ابرة دقيقة وصغيرة جدا جدا مشحونة من خلال جهد كهربائي. الآن، كما ترى في الشكل أدناه، يمكن تقريب هذه الابرة الى السطح المكون من ذرات، كل ذرة تحتوي على الكترونات أو غيمه الكترونه ملونه بالأحمر، ستتفاعل هذه الغيمة مع الجهد الكهربائي للإبرة. والآن يمثل الجهد الكهربائي محل الحائط في مثالنا السابق، فعند احتمال معين، ستنفذ الغيمة الالكترونيه من خلال ظاهرة النفق الكمومي من الجهد الكهربائي الموجود بين الابرة والغيمة الالكترونيه، وهذا سيعطي اشارة كهربائية أو تيار يمكن قياسه. هذه الاشارة ستعطي موقع وشكل الذرة كصورة على شاشة الكمبيوتر، ثم نحرك الابرة الى الذرة التالية ثم التالية وهكذا.. شاهد هذا الفيديو لتوضيح أكثر:
https://www.youtube.com/watch?v=bo2Zq0Wsog4
الآن يتبقى لنا السؤال الأخير، وهو كيف يمكننا تحريك الذرات واحدة واحدة وتحقيق نبؤة فاينمان عام ١٩٥٩؟ الجواب بسيط: سيحدث ذلك بالصدفة وأنت تتحسس الذرات بالابرة، حيث ستنتج رابطة كيميائية (تشابك الكترونات) بين الكترونات الابرة و الكترونات الذرة الموجودة على السطح، وعندما تتحرك الابرة ستتحرك الذرة معها. يشبه ذلك تحريك قطعة معدنية صغيرة باستخدام مغناطيس دون أن يلامس المغناطيس تلك القطعة. الآن لن نترك المجال للصدفة، بل نقوم عمدا بصنع تلك الروابط الكيميائية وتحريك الذرات الواحدة تلو الأخرى، وهنا نصل الى اجابة عنوان المقال.
كما وعدتك في البداية، شاهد هنا أصغر فلم في العالم، صنعته شركة IBM، وهو فتى مصنوع من ذرات منفردة تم تحريكها. ستشاهده الآن مع متعة الفهم: https://www.youtube.com/watch?v=oSCX78-8-q0
المصدر : مدونة الدكتور يوسف البناني
#فيزياء_من_سورية
هل يمكننا تحريك الذرات الواحدة تلو الأخرى؟
في عام ١٩٥٩ ألقى عالم الفيزياء العظيم ريتشارد فاينمان محاضرة غريبة تحت عنوان ( هناك حيز كبير في القاع!). تعتبر هذه المحاضرة بداية الانطلاق الحقيقية لثورة تقنية النانو التي نعيشها نحن الآن في القرن الحادي والعشرين. قال فاينمان (كل شيئ يعيش يمكن فهمه من خلال الهزهزة والتلوي في الذرات). لقد قامت شركة IBM بصنع أصغر فلم بالعالم؛ وهو فتى مصنوع من ذرات منفردة يلعب بكرة ذرية! سأضع لك رابط الفيديو في نهاية المقال. لكن دعنا الآن نغوص الى مستوى الذرات.
جميعنا قد استخدم المجهر الضوئي العادي، سواء في المدرسة أو في الجامعة أو مجهرك الخاص في منزلك. تقوم فكرة عمل المجهر العادي على ارسال حزمة ضوئية، ويجب أن يكون الطول الموجي وهو: المسافة بين قمتين أو قاعين في الموجة الضوئية (الشكل على اليمين)، يجب أن يكون بحجم الشيئ المراد رؤيته (الشكل على اليسار). فإذا أردنا تكبير حشرة معينة يجب أن يكون الطول الموجي للضوء بحجم الحشرة أو أصغر منها. أما اذا كان الطول الموجي أكبر فسنحصل على صورة مشوشة. لذلك المجهر الضوئي العادي له حدود، فلا يصلح لرؤية العالم الصغير كالفيروسات والخلايا. لرؤية تلك الأشياء علينا استخدام المجهر الالكتروني. نحن ندين إلى دي بروغلي وشرودينغر باكتشافهما أن الالكترون يتصرف مثل الضوء، فهو موجة أيضا، وهذا يعني أننا نستطيع بناء مجهر الكتروني. الطول الموجي للالكترون صغير جدا جدا، يصل الى حد ٣ نانو متر! بينما الضوء المرئي طول موجته من ٣٨٠ الى ٧٥٠ نانومتر. لاحظ الفرق الكبير بينهما. لهذا السبب يستخدم المجهر الالكتروني لعلم النانو والأشياء الصغيرة. لكن مازال حجم ٣ نانو متر كبير جدا على حجم الذرة المنفردة. لنأخذ مثلا ذرة السيليكون، والسيليكون من أهم المواد المستخدمة في تقنية النانو، حجم ذرة السيليكون هو ١.١٧ بيكو متر. والبيكو متر الواحد يساوي واحد على ترليون من المتر. اذا نستطيع أن نصف ٨ ذرات سيليكون في نانو متر واحد. والمجهر الالكتروني لا يرى عند ١ نانومتر أصلا، بل يرى عند ٣ نانومتر، وهذا يعني أننا لا نزال بعيدين عن رؤية ذرة واحدة منفردة بالمجهر الالكتروني.
يأتي الاختراق العظيم عام ١٩٨١، عندما تمكن العالمان الألماني جيرد بينيج مع العالم السويسري هاينرخ روهرير من اختراع (مجهر المسح النفقي) Scanning tunneling micrscope وقد نالا عليه جائزة نوبل عام ١٩٨٦، وهذا العام مميز لي لأني ولدت فيه smile رمز تعبيري لقد استفادوا من واحدة من أغرب خصائص ميكانيكا الكم وهي ظاهرة النفق الكمومي. لذلك نرى اسم المجهر على اسم هذه الظاهرة. تخيل أنه لديك الكترون ليس لديه ما يعمله سوى الاصطدام بالجدار، و هناك شخص جالس، أيضا ليس لديه ما يعمله سوى مشاهدة هذا الالكترون، طبعا بعينيه الخارقتين! سيرى في المرة الأولى أن الالكترون يصطدم بالجدار ويسقط ثم ينهض ويحاول مرة اخرى ويسقط وهكذا.. لكن في المحاولة التاسعه حدث شيئ غريب، فقد اخترق الالكترون الجدار بالضبط مثل الشبح الشهير كاسبر! طبعا ليس للموضوع علاقة مع الأشباح، فهذه الظاهرة تم التنبؤ بها منذ القرن العشرين عن طريق رياضيات ميكانيكا الكم الغريبة. الموضوع احتمالات، فعند احتمال معين سينفذ الالكترون من الحائط أو المواد الصلبة بشكل عام. في الحقيقة هناك احتمال صغير بشكل لا يوصف، لكن ممكن حسابه، بأن تنفذ أنت من الحائط! لكن تحتاج الى وقت أطول من عمر الكون بكثير حتى يحدث هذا الاحتمال الذي يستحيل حدوثه تقريبا. أعتقد أيضا بأن خشمك لن يصمد كل هذه المدة!
اليك الآن فكرة عمل مجهر المسح النفقي: يتكون هذا المجهر من ابرة دقيقة وصغيرة جدا جدا مشحونة من خلال جهد كهربائي. الآن، كما ترى في الشكل أدناه، يمكن تقريب هذه الابرة الى السطح المكون من ذرات، كل ذرة تحتوي على الكترونات أو غيمه الكترونه ملونه بالأحمر، ستتفاعل هذه الغيمة مع الجهد الكهربائي للإبرة. والآن يمثل الجهد الكهربائي محل الحائط في مثالنا السابق، فعند احتمال معين، ستنفذ الغيمة الالكترونيه من خلال ظاهرة النفق الكمومي من الجهد الكهربائي الموجود بين الابرة والغيمة الالكترونيه، وهذا سيعطي اشارة كهربائية أو تيار يمكن قياسه. هذه الاشارة ستعطي موقع وشكل الذرة كصورة على شاشة الكمبيوتر، ثم نحرك الابرة الى الذرة التالية ثم التالية وهكذا.. شاهد هذا الفيديو لتوضيح أكثر:
الآن يتبقى لنا السؤال الأخير، وهو كيف يمكننا تحريك الذرات واحدة واحدة وتحقيق نبؤة فاينمان عام ١٩٥٩؟ الجواب بسيط: سيحدث ذلك بالصدفة وأنت تتحسس الذرات بالابرة، حيث ستنتج رابطة كيميائية (تشابك الكترونات) بين الكترونات الابرة و الكترونات الذرة الموجودة على السطح، وعندما تتحرك الابرة ستتحرك الذرة معها. يشبه ذلك تحريك قطعة معدنية صغيرة باستخدام مغناطيس دون أن يلامس المغناطيس تلك القطعة. الآن لن نترك المجال للصدفة، بل نقوم عمدا بصنع تلك الروابط الكيميائية وتحريك الذرات الواحدة تلو الأخرى، وهنا نصل الى اجابة عنوان المقال.
كما وعدتك في البداية، شاهد هنا أصغر فلم في العالم، صنعته شركة IBM، وهو فتى مصنوع من ذرات منفردة تم تحريكها. ستشاهده الآن مع متعة الفهم: https://www.youtube.com/watch?v=oSCX78-8-q0
المصدر : مدونة الدكتور يوسف البناني
#فيزياء_من_سورية
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق