اندازه گیری نیروهای جاذبه بین کریستال‌ها برای نخستین بار

کریستال‌ها در میان زیباترین ساختارها در دنیای طبیعت هستند – آن ها نه تنها یک ساختار بی نظیر، بسیار منظم، و شبکه‌ای مکرر دارند، بلکه از ویژگی‌های ذاتی و جذاب دیگر، مانند قابلیت خودسامانی نیز برخوردارند. دانشمندان به تازگی توانسته اند نیروهای بین آنها را اندازه گیری کنند.

گویا آی تی – کریستالهای بسیار ریز، زمانی که در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند، هم جهت شده و برای تشکیل کریستال‌های دیگر به هم متصل می‌شوند، و دانشمندان، برای نخستین بار توانسته اند نیرویی که این خواص را ایجاد می‌کند را تجسم کرده و آن را اندازه بگیرند.
تیم مربوطه، با استفاده از یک تکنیک جدید تجسم، نشان داده است که نیروی حاکم بر کریستال‌ها، نوعی از نیروی واندروالسی است، یک جاذبه‌ی کوانتومی که به پیوندهای شیمیایی ( نظیر پیوندهای کووالانسی که مولکول‌ها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارند) هیچ وابستگی ندارد.
این همان نیرویی است که به مارمولک‌های خانگی (گیکو) اجازه می‌دهد با پاهای خود به دیوار بچسبند و اکنون دانشمندان نشان داده‌اند که این نیرو باعث چرخیدن و پیوند دادن کریستال‌ها شده و امکان ساخت کریستال‌های بزرگتر و بزرگتر را فرآهم می‌کند.
زمانی که لبه‌های کریستال ها با هم منطبق شود، کریستال ها می‌توانند به صورت کاملا یکپارچه به دیگر متصل شوند. مدت‌ زیادی است که این تصور که کریستال ها می‌توانند با هم جهت شدن، این اتصال را آسان تر کنند، وجود دارد – اما تاکنون هیچ‌کس نتوانسته بود تجسم کند که این کار چگونه انجام می‌شود و یا نیروی بین آن‌ها را اندازه بگیرد.
آگاهی از چگونگی انجام این اتصالات بسیار مهم است، زیرا این نیروی جاذبه، اساس خودسامانی کریستال‌ها در طبیعت، برای تشکیل تمام مواد از سنگ‌ها و صدف‌های دریایی گرفته تا استخوان‌ها ما انسان‌ها است.

علاوه بر این، داشتن این آگاهی برای دانشمندانی که می‌خواهند از کریستال‌ها برای طراحی مواد جدید استفاده کنند حیاتی است.
کوین روسو، یکی از محققان این عرصه از آزمایشگاه ملی شمال غربی آرام، متعلق به وزارت انرژی ایالات متحده می‌گوید:” اهمیت این مطالعات در آن است که با این نوع اندازه گیری‌ها می‌توان مدلی از شبکه سه بعدی کریستالی، ایجاد کرد، به طوری که ذرات در آن به شکل‌های دلخواه، مانند قطعات لگو به هم متصل شوند.”
او می‌افزاید:” کریستال‌ها تقریبا در همه‌ی جای طبیعیت وجود دارند و این مطالعات به ما کمک می‌کند که از این نیروها در طراحی مواد جدید بهره ببریم.”
برای مطالعه نیرویی که کریستال‌ها را در یک راستا هم جهت می‌کند، محققان یک میکروسکوپ الکترونی عبوری محیطی (ETEM) را با فناوری “کاوشگرهای نیروی نانوکریستال” ترکیب کرده اند، که امکان کنترل و مشاهده تعامل کریستال‌ها را به صورت لحظه به لحظه فرآهم می کند.
با استفاده از این تنظیمات، آن ها دو کریستال تیتانیوم اکسید را به ضخامت ۱۰۰۰ بار نازک تر از ضخامت موی انسان را در کنار یکدیگر قرار داده و در زوایای مختلف چرخانند و چگونگی ترکیب آن‌ها را زیر میکروسکوپ مشاهده کردند.

تیم دانشمندان، مشاهدات خود را با حرکت دادن دو آهنربا در کنار یکدیگر، البته در مقیاسی بسیار بسیار کوچک تر مقایسه کرده‌اند. زمانی‌که آهنرباها به اندازه‌ای نزدیک به هم باشند که نیروی جاذبه بر نیروی دافعه بین آن ها غلبه کند، آن‌ها به سمت یکدیگر کشیده می‌شوند.
سپس دانشمندان، این دو کریستال را بدون چرخاندن از یکدیگر جدا کردند، تا اندازه بگیرند که جدا کردن به این شکل، به چه مقدار نیرو نیاز دارد.
اندازه گیری‌ها به محققان این امکان را داد که خصوصیات نیروی متصل کننده کریستال‌ها را برای اولین بار با جزئیات دقیق بشناسند، و متوجه شوند که این نیرو در حد و اندازه‌ی نیروهای واندوالسی کوچک است.
نیروهای واندروالسی، ضعیف‌ترین نوع نیروهای شیمی فیزیکی هستند، و در نتیجه‌ی جاذبه‌ها کوانتومی مکانیکی بین ذرات ایجاد شده، و ارتباطی به جاذبه الکتریکی شیمیایی معمول بین یک ذره مثبت و منفی ندارند.

علی رغم آن‌که این نیروها بر اساس علم عجیب مکانیک کوانتوم، عمل می‌کنند، ( نیلز بور در یکی از بیانات خود گفته است:” کسی که از نظریه کوانتوم تعجب نکند، هنوز آن را متوجه نشده است.”) در مورد این نیروها مطالعات بسیاری انجام شده است.
اما این کشف جدید در واقع برای اولین بار، پیش بینی را که در دهه ۷۰ راجع به نیروهای واندوالسی انجام شده بود، تأیید می‌کند و آن اینکه: نیروی جاذبه بین کریستال‌ها، به نحوه چرخش ذرات کریستال نسبت به یکدیگر بستگی دارد. (چرخاندن یک نان باگت، برای کندن تکه‌ای از آن را در ذهن خود در نظر بگیرید.)
روسو می‌گوید: “این تخستین اندازه گیری انجام شده از این نیروها، و نخستین مدرک برای اثبات آن است که این نیرو به چگونگی چرخش کریستال‌ها نسبت به یکدیگر بستگی دارد، موضوعی که ما از آن با عنوان وابستگی چرخشی یاد می‌کنیم.”
“اگر نیروها، وابستگی چرخشی داشته باشند، این موضوع نشان خواهد داد که این نیرو در هم‌جهت کردن کریستال‌هایی که در یک محیط مایع با یکدیگر برخورد می‌کنند نقش مهمی دارد، و برای مثال، احتمال اتصال موفق را بالا می‌برد.”

اکنون که محققان این نیروهای جاذبه بین کریستال‌های تیتانیوم اکسید را شناخته اند، می‌توانند نیروهای جاذبه بین کریستال‌های ساخته شده از مواد مختلف، مانند کلسیم کربناتی که در کریستال‌های صدف دریایی مشاهده می‌شود را نیز پیش بینی کنند.
بعلاوه این اطلاعات می‌تواند برای ساخت مواد جدید بر اساس کریستال ها در آینده به دانشمندان کمک کند، و این کار می‌تواند فوائد بسیاری برای فناورهای نو داشته باشد.
اما ما اطمینان داریم مدت‌ها طول می‌کشد تا کسی بتواند از موضوع جاذبه بین “کریستال‌های زمانی” سر در بیاورد، که به نوبه خود، بسیار عجیب و غریب هستند.