کشف حالت جدیدی از کربن؛ سخت مثل سنگ، انعطاف‌پذیر مثل لاستیک

دانشمندان با گرم کردن کربن تا دمای هزار درجه‌ی سلسیوس، موفق به کشف حالت جدیدی از کربن شده‌اند. حالت جدید کربن، مقاومت بسیار بالا و وزنی بسیار پایین دارد؛ این ویژگی‌ها به همراه انعطاف‌پذیری بالا و رسانایی الکتریکی، باعث می‌شوند حالت جدید کربن برای محققین بسیار هیجان‌انگیز باشد.

علاوه بر این‌که کشف حالت جدید کربن با ویژگی‌های خارق‌العاده‌ی آن جالب است، روش رسیدن به این حالت هم می‌تواند شروعی تازه برای کشف طیف گسترده‌‌ای از موادی باشد که تا به حال امکان دسترسی به آن‌ها وجود نداشته است.

کربن چهارمین عنصر با فراوانی بالا در جهان هستی و همچنین دومین عنصر فراوان در بدن انسان‌، بعد از اکسیژن به شمار می‌رود؛ در نتیجه، این عنصر شیمیایی نقش مهمی در حیات روی زمین بازی می‌کند. افزون بر تمام این خصوصیت‌ها، کربن اشکال مختلفی هم در طبیعت دارد؛ از گرافیت با درجه‌ی نرمی بالا تا الماس به‌عنوان سخت‌ترین ماده‌ی شناخته‌شده. می‌توان گفت تقریبا عنصر مشابه دیگری با چنین خصوصیات ویژه‌ای وجود ندارد. آرایش اتم‌های کربن در ساخت حالت ماده نقش برجسته‌ای دارند؛ طوری که گرافیت و الماس هر دو حالتی از کربن با دو آرایش اتمی متفاوت هستند. گرافن نیز ساختاری تک‌لایه‌ای از اتم‌های کربن دارد و قوی‌ترین ماده‌ی جهان به‌حساب می‌آید.  

در تحقیق صورت گرفته، محققین دریافتند که با گرم کردن کربن تا دمای هزار درجه‌ی سلسیوس در فشاری برابر با ۲۵۰ هزار اتمسفر، می‌توان حالتی جدید از کربن به دست آورد که بسیار قوی و انعطاف‌پذیر است. بنابراین می‌توانیم برای این حالت جدید کاربردهای گوناگونی چون استفاده‌های بیولوژیکی تا ساخت فضاپیما متصور شویم. ژیشنگ ژائو، عضو تیم تحقیقاتی از دانشگاه یانشان چین، در این مورد می‌گوید:

ماده‌های سبک با قدرت و انعطاف‌پذیری بالا همانند حالت جدید کشف‌شده از کربن، در ساخت‌ تجهیزاتی که به دنبال کاهش وزن هستیم اهمیتی حیاتی دارتد. اهمیت این مواد می‌تواند حتی عامل مهمی چون هزینه را در حاشیه قرار دهد. 

در گذشته نیز دانشمندان در پی رسیدن به این حالت کربن بودند؛ حالتی که البته بدون ایجاد فشار بالا در کنار گرما، امکان بازگشت به حالت اولیه در آن زیاد است و همین عامل به‌عنوان یکی از دلایل شکست پژوهش‌های قبلی به‌حساب می‌آید. در روش استفاده‌شده توسط ژائو و همکارانش، آن‌ها با ایجاد گرما و فشار بهینه، شرایط را برای رسیدن به حالت جدید مهیا کردند. نتیجه‌ی کار حالتی عجیب از کربن بود؛ این حالت علاوه بر داشتن ویژگی‌هایی از گرافیت، پیوند‌هایی محکم همچون الماس را بین اتم‌های خود نشان می‌دهد. علاوه بر این با داشتن ساختار لایه‌ای مثل گرافن، ویژگی‌هایی مثل نرمی و استحکام را به‌صورت هم‌زمان دارد.

در شکل پایین می‌توانید سه حالت مختلف این ماده‌ی جدید را مشاهده کنید. در این حالت‌ها گوی‌های قرمز، پیوندهای الماس‌مانند و گوی‌های سیاه، ساختار لایه‌ای گرافن را نشان می‌دهند. پژوهشگران ماده‌ی جدید را Compressed Glassy Carbon یا کربن فشرده‌ی شیشه‌ای نام‌گذاری کرده‌اند.

در مقاله‌ی منتشرشده آمده است:

کربن فشرده‌ی شیشه‌ای ویژگی‌هایی خاص دارد؛ قدرتی بالا نزدیک به دو برابر قوی‌تر از سرامیک‌هایی که در صنعت استفاده می‌شوند و به‌طور هم‌زمان، انعطاف‌پذیری بالا در برابر فشار‌های نقطه‌ای واردشده به سطح ماده. انعطاف‌پذیری این ماده از لاستیک‌های طبیعی، سیلیکا و خیلی دیگر از مواد موجود بیشتر است و استحکام آن هم به میزان ۵ برابر بیشتر از فلزات و آلیاژهای مختلف است.

باید منتظر ماند و دید حالت جدید کربن در کدام‌یک از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. در همین حین، روش استفاده‌شده برای تولید کربن فشرده‌ی شیشه‌ای راه جدیدی برای پژوهشگران در مسیر کشف طیف‌های گوناگونی از مواد دیگر باز می‌کند. دکتر ژائو در ادامه می‌گوید:

امیدواریم روش معرفی‌شده به شناخت یا ساخت خانواده‌های مختلفی از مواد با کاربرد‌های متنوع منجر شود.

نتیجه‌ی این پژوهش در نشریه‌ی Science Advances به چاپ رسیده است.