كرة باكي(بوكي)

سيد عثمان · #1 27-08-2013, 10:03 PM

كرة البوكي
في الوقت الحاضر ثورة في الكيمياء، قوامها جزيء عجيب من الكربون اكتشف منذ عدة سنوات، وفي كل يوم يتضح أن له استخدامات مذهلة، إنه الجزيء الضخم الذي أطلق عليه رسميا "باكمينستر فلورين" وذلك تيمنا باسم المهندس الأمريكي الذي ابتكر قبة ذات شكل هندسي تشبه تماما تجسيما هائلا لهذا الجزيء الجديد.

يطلق الكيميائيون على هذا الجزيء الجديد "كرة باكي" Bucky Ball اختصارا أو ك- 60، إذ إن هذا الجزيء العملاق يتكون من ستين ذرة ذات تركيب هندسي فريد ومستقر يشبه كرة القدم المجوفة، ومنذ اكتشافه وهو في بؤرة الاهتمام في الأوساط العلمية، إذ تبين أنه يمكن استخدامه في صناعة بطاريات بالغة القوة ووقودا جبارا للصواريخ ومركبات الفضاء وفي الرقاقات المتطورة للكمبيوتر وموصلات فائقة وفي اللدائن الصناعية وحتى في علاج السرطان، والعديد من الاستخدامات الأخرى، وفتح ذلك الباب على مجال جديد تماما في علم الكيمياء.

لقد جاء اكتشاف نوع جديد من الكربون مفاجأة مذهلة لمعظم العلماء، فالكربون أكثر العناصر التي تعرضت للبحث العلمي المكثف لأنه الأساس في معظم الجزيئات العضوية. ولتقدير مدى أهمية هذا الاكتشاف الحديث.
الموضو منقول للامانة العلمية

واتضح للعلماء أخيرا تركيب جزيء الكربون العملاق الجديد، الذي نتج من التحام 60 ذرة كربون (ك- 60) مع بعضها البعض لتكوين هيكل كروي الشكل ذي 12 مضلعا خماسيا و 20 وجها سداسيا على سطحه يشبه كرة القدم المجوفة. كما ثبت أيضا أنه عند وجود عدد كبير من مثل هذه الجزيئات الضخمة، فإنها تتبلور (أي تتخذ شكلا محددا) في كيان صلب ذي شبكات متكدسة منتظمة مكونة من جزيئات ك- 60 أي كرات باكي، وتكون له درجة عالية مدهشة من التماثل. والاسم الشائع لهذا الكيان هو كرة القدم ذات الستين رأسا (رأس واحد لكل ذرة كربون في الجزيء ك- 60) وكل ذرة كربون ترتبط كيميائيا بثلاث ذرات كربون أخرى، بحيث تكوّن كل رابطة حافة في سداسيين كما تكوّن كل رابطتين حافتي خماسي وسداسي.

وجميع ذرات الكربون متكافئة من حيث التماثل وتشكل سطحا مغلقا، مكونا من مجموعة من الأضلاع الخماسية والسداسية المنتظمة.

وتصنع كرات باكي عندما تصطدم ذرات كربون ساخنة جدا وشظايا الجرافيت بعضها بالبعض.

وتلتف شظايا الجرافيت لأن الذرات الموجودة في الحواف المتآكلة لطبقاتها الرقيقة، تكون متلهفة للالتصاق بأي شيء. فـإذا قُدّر لأي ذرة كربون واحدة أن تصطدم بالحافة، فيمكنها أن ترتبط بطرفين سائبين لتكوين شكل خماسي. وهذه الأشكال الخماسية تميل لجعل السطح أكثر تقوسا.

أما طبقة الأشكال السداسية- في شظايا الجرافيت - فتميل لجعل السطح مسطحا، وعندما تختلط الخماسيات والسداسيات، فإن الخماسيات تبتعد عن بعضها البعض لأن وجودها متجاورة يجعلها غير مستقرة، ومن ثم يلتف السطح إلى أعلى حتى ينغلق تماما، حيث تفصل السداسيات بين الخماسيات وكذلك بين بعضها البعض. وهكذا يبدو جزيء ك- 60 مثل كرة القدم المجوفة، وهو الجزيء الوحيد لأي عنصر منفرد يتخذ شكلا كرويا.

اكتشاف الجزيء السحري

إن االقصة وراء اكتشاف كرة باكي لا تقل غرابة عن تركيبها. ففي عام 1984 كان فريق عمل يرأسه ريتشارد سمالي الأمريكي، يدرس خواص بعض العناقيد الذرية Atomic Clusters (أكبر من الجزيئات ولكنها أصغر من الأجسام الصلبة المرئية) لعدة عناصر بجهاز يستخدم أشعة الليزر والموجات فوق الصوتية، واقترح عليهم أستاذ جامعي إنجليزي زائر هو هارولد كروتو، إضافة الكربون إلى قائمة العناصر تحت الدراسة، إذ كان يبحث في الأصول الممكنة لجزيئات الكربون طويلة السلسلة الموجودة في الفضاء بين النجوم، والتي ربما تكونت في أفران النجوم المعروفة باسم "العمالقة الحمر" Red Giant الغنية بالكربون.

وكان من رأي كروتو أن الجهاز الذي يستخدمه سمالي، قد ولّد درجات حرارة تصل إلى عشرات الآلاف من الدرجات المئوية - وهي تزيد على سخونة سطح العملاق الأحمر- كان طريقة معملية مناسبة لمحاكاة هذا الفرن الكوني، ومن ثم اختبار صحة نظريته التي كانت تتلخص في أن جزيئات الكربون الدقيقة المنتشرة بين النجوم، تمتص الضوء بطريقة مثيرة يمكن أن تساعد على فهم الكون بطريقة أفضل.

وعندما نجح فريق العمل في تحطيم الكربون، نتجت عناقيد ذرية عديدة. ولكن كان هناك شيء عجيب في "العناقيد" ذات الـ 60 ذرة كربون، إذ كانت تزيد في كميتها بمقدار ثلاثة أمثال على أي عناقيد أخرى ذات عدد زوجي من الذرات.

وتساءل سمالي في دهشة: لماذا نتج هذا العدد الكبير من "عناقيد" ك - 60؟! وكان أحد التفسيرات أن هذه العناقيد تكوّن "شطائر" كربونية أي طبقات رقيقة مستوية من المادة تحتوي على أعداد كبيرة من الذرات وتشتمل على مجموعات سداسية شبه جرافيتية.

وبمزيد من الدراسة اتضح أن ك- 60 ليس "عنقودا من الذرات" ولكنه "جزيء" Molecule (أصغر جزء من المادة يوجد مستقلا ويحتفظ بخواص هذه المادة) وبالتحديد جزيء على شكل كرة قدم مفرغة ولعل هذه الطبقات الرقيقة المستوية، التفت حول نفسها لتكوين هذا الشكل الكروي المميز.

ولكن بعد إعلان هذا الاكتشاف المذهل في عام 1985، وجد سمالي وكروتو وفريق العمل أنفسهم في ورطة، فلم يكن لديهم سوى أجزاء من الملليجرام من الجزيء الجديد ك- 60، وهذا لا يكفي حتى لإثبات وجوده! واستمرت الأبحاث العلمية على كرات باكي.وفي أوائل عام 1991 تمكن بعض الكيمائيين من إنتاج كميات كبيرة نسبيا من الجزيء ك- 60 تصلح للأبحاث العلمية، تبلغ نحو جرام واحد يوميا، ولكنهم يتوقعون أنه خلال عشر سنوات فقط من العمل المتواصل، سوف توجد مصانع كبيرة لإنتاج هذه الجزيئات السحرية بكميات كافية، بحيث يصل سعر الكيلو جرام من كرات باكي إلى بضعة دولارات فقط.

والطريقة الجديدة لاستخلاص كرات باكي، تتلخص في استخدام قوس كهربائي لتسخين قضيب كربوني رقيق إلى درجة حرارة عالية في جو من الهليوم تحت ضغط منخفض، مما يؤدي إلى تكوين مسحوق ناعم يطلق عليه (سناج) Soot، من الكربون النقي يمكن منه استخراج جزيئات ك- 60. وقد أمكن أيضا صنع تكوينات أصغر تسمى "كريات باكي" تضم 32 ذرة فقط، ولكن لأنها تحتوي على أشكال خماسية متجاورة فإنها أقل استقرارا بكثير. وإذا أضيف إليها عدد من الأشكال السداسية يمكن صنع كمية كبيرة من الجزيئات الأضخم ذات العدد الزوجي من الذرات مثل ك- 70، ك - 76،- ك- 78، ك- 82.. وتختلف أشكال هذه الجزيئات عن ك- 60 الفريد، فعلى سبيل المثال الجزيء ك- 70 يمتلك حزاما زائدا مكونا من 10 ذرات حول خط استوائه، مما يجعله ذا شكل شبه كروي أكثر استطالة (بيضاوي).

واتضح أن هناك عائلة كبيرة من هذه الجزيئات الكربونية العملاقة، أطلق عليها "الفلورينات" Fullerenes تتميز بخواص كهربية ومغناطيسية وبصرية غريبة.

وفي ربيع عام 1991، تمكّن الكيميائيون لأول مرة من التقاط صورة لجزيء كرة باكي، بواسطة الأشعة السينية، وبمساعدة الكمبيوتر. واتضح من تركيبه البلوري كيفية ترتيب الـ 60 ذرة كربون به، والتركيبات الخماسية والسداسية المتجاورة، كما تأكد شكله الهندسي الكروي الذي يتصف بصلابة غير عادية.

ولأغراض الدراسة، كان لابد من الإمساك بهذا الجزيء العجيب بواسطة مقبض كيميائي من عنصر الأزميوم- الذي يثبت الجزيئات في أماكنها- لإيقاف دورانه المروّع حول نفسه، إذ إنه يدور بمعدل ألف مليون مرة في الثانية الواحدة!.

استخدامات مذهلة

تساءل العلماء: عندما نحصل على كرات باكي، ما الذي سوف نفعله بها؟.

إن الطرق الكيميائية تصل إلى الحلول ببطء شديد، ومع ذلك فقد حققت العبقرية الكيميائية نجاحا سريعا فيما يتعلق باستخدامات جزيء الكربون العملاق ك- 60، إذ اتضح أنه مستقر تماما ومقاوم للنشاط الإشعاعي، والتآكل الكيميائي، ويتقبل الإلكترونات بشراهة ولكنه لا يمانع في إطلاقها، كما أن له صفات كهربية عجيبة.

وبعد دراسة هذه الخصائص الفريدة لكرات باكي، أخذ العلماء يطلقون لأفكارهم وتصوراتهم العنان لبعض التطبيقات، مثل قيامها بنقل النظائر المشعة إلى داخل الجسم البشري بهدف تشخيص الحالات المرضية أو نقل الهرمونات أو أي عقاقير لعلاج بعض الأمراض، وأحد الأفكار المطروحة للعلاج بالمواد المقاومة للأورام السرطانية، هي إدخال نظائر مشعة في كرات باكي، حيث يعمل الحاجز الكربوني على حفظ سلامة هذه النظائر بعد حقن مريض السرطان بها.

كما يمكن تصميم بطارية فائقة القوة وخفيفة الوزن، وذلك بتغليف ذرات عنصر الليثيوم والفلور (التي تُولّد طاقة عند اجتماعهما معا) داخل قفص جزيء ك- 60، لحمايتها من تأثير الأكسوجين الجوي عليها، وإذا أمكن ربط سلسلة من كرات باكي معا، فإنها تشكل الأساس لأنواع جديدة من اللدائن الصناعية ذات خصائص متفردة.

ووجد العلماء حديثا طريقة لاستخدام هذه الجزيئات الكربونية الضخمة، كأقفاص لاقتناص ذرات بعض العناصر- كالهليوم- ومن ثم تستخدم كمتتبعات كيميائية رائعة، لمراقبة انتشار المواد الملوثة من نقطة تفريغها في أحد الأنهار. ويمكن الكشف عن أي مقادير ضئيلة جدا من الهليوم، لأنه لا يوجد حولنا في الجو مركبات منه. وعلى سبيل المثال إذا أذيب مليجرام من الهليوم في حوض سباحة، وقُلّب جيدا، فيمكن الكشف عن ذرات الهليوم وكرات باكي، في نقطة واحدة من الماء. وتعتبر كرات باكي والهليوم أكثر ملاءمة للاستخدام من المتتبعات المشعة التي تستعمل في الوقت الحاضر.

وفي إحدى التجارب على جزيئات ك- 60، تم إطلاقها داخل جدار من الصلب الذي لا يصدأ بسرعة تبلغ 24 ألف كيلو متر في الساعة، فارتدت إلى الخلف دون أن يصيبها ضرر، ومن ثم اتضح أنها مرنة أكثر من أي جزيئات أخرى معروفة حتى الوقت الحاضر. وهذه الخاصية تجعلها صالحة لاستخدامها وقوداً للصواريخ ومركبات الفضاء، حيث يمكنها أن تتحمل ضغوطا هائلة.

ويخطو علماء فيزياء الجوامد خطوات كبيرة لا تقل أهمية. فقد وجدوا أن المواد الصلبة المكونة من كرات باكي، تتميز بخواص مدهشة فعندما تتبلور هذه الجزيئات العملاقة، فإنها تندمج مع بعضها البعض، وتصبح مثل كومة من البرتقال لدى بائع الفاكهة، وترتبط جزيئات ك- 60 ببعضها بقوى ضعيفة مثل تلك التي بين طبقات الجرافيت.

وأي كتلة من كرات باكي يمكن ضغطها إلى 70% من حجمها الأصلي عند ضغط يبلغ ثلاثة آلاف ضغط جوي، وعندما يرفع عنها هذا الضغط فإنها ترتد إلى شكلها العادي، لكنها إذا ضغطت بقوة تجاه بعضها البعض، فإن ذرات الكربون في الكرات المتجاورة تبدأ في التنافر بشدة فيما بينها، وتصبح المادة شديدة الصلادة كالألماس. وإذا ازداد الضغط بسرعة وبقوة هائلة، فإن كرات باكي تتحول إلى ألماس بالفعل، وهذا التحول يمكن أن يكون مهما في الأغراض الصناعية.

والقوى الكيميائية الضعيفة بين كرات باكي، هي أكبر نقطة ضعف فيها. إذ يمكن تمزيق هذه القوى بالحرارة العالية، فعند درجة حرارة تبلغ ثلاثمائة درجة مئوية أو نحو ذلك، تبدأ الكتلة الصلبة من كرات باكي في "التبخر"، ومن ثم لا يمكن استخدامها كمواد تشحيم - كالجرافيت- إذ لابد أن تتحمل درجات حرارة مرتفعة.

وقد اتضح أنه لو وضعت بعض ذرات من عناصر أخرى بين كرات باكي ثم خفضت درجة الحرارة جدا، فإن شيئا غريبا سوف يحدث، إذ وجد العلماء أن تبريد خليط من كرات باكي والبوتاسيوم إلى 255 درجة مئوية تحت الصفر، يجعله موصلال فائقا Super conductor أي أن التيار الكهربائي يمر خلاله بدون أي مقاومة أو فقد للطاقة. ويمكن تشبيه هذا الخليط من ك - 60 والبوتاسيوم (أو أي مواد أخرى)، بأن بائع الفاكهة الفنان قد "حشر" بعض المشمش في الفراغات التي بين كوم البرتقال لديه.

آفاق المستقبل

لاشك أن المستقبل يحمل بين طياته الكثير من الاحتمالات الجديدة المثيرة، سواء من حيث المعرفة العلمية الأساسية أو من حيث الاستخدامات التكنولوجية للجزيء العملاق ك - 60.

إن العلماء منبهرون بإمكانات الفلورينات عموما، وأثناء دهشتهم يتحدث بعضهم عن التطبيقات المستقبلية، ومنها استخدام الأخ الأكبر الأقل انتظاما لكرات باكي، وهو الجزيء ك- 70. إذ اتضح أن وضع طبقة رقيقة من هذه الجزيئات على سطح من السليكون، وتعريضها لغازي الميثان والهيدروجين الساخنين، يزيد من تحفيز نمو طبقة من الألماس، بمعدل ملايين المرات. ومثل هذه الطبقة الألماسية تصلّد أسطح العدد والأدوات أو تستخدم في عزل الدوائر الإلكترونية الدقيقة عن بعضها البعض، ومن الممكن أيضا صنع الألماس من الفلورينات مباشرة وإن لم يتحقق هذا عمليا حتى الآن.

وإذا أضيف ك- 60 وك - 70 إلى البوليمر (سلسلة طويلة من الجزيئات المتكررة) المناسب، يمكن تكوين مادة ذات موصلية ضوئية أي أنها توصل الكهرباء فقط عندما تتعرض إلى ضوء، وتستخدم في أجهزة إنتاج الصور الإلكترونية. وبالنسبة للفلورينات الكبيرة يمكن إنتاج موصلات ضوئية منها تعمل في مجال الأشعـة تحت الحمراء من الطيف، وهذا أمر لم يكن ممكنا من قبل.

ونظرا لمرونة جزيء ك- 60، يرى بعض العلماء أن له دوراً أساسيا في تكوين المادة، فإذا كانت هذه الجزيئات قد تشكلت منذ آلاف الملايين من السنين في داخل نجوم العمالقة الحمر، ونظـرا لكبر حجمها بما يكفي لجمع الجسيمات الصغيرة في أثناء الاصطدامات بينها، فلعلها كانت الأنوية الأولية التي تجمعت حولها الجسيمات الدقيقة الصلبة، الغبار الكوني المنتشر بين النجوم، فتكونت الصخور والكويكبات ثم الكواكب ذاتها.

كما يمكن استخدام الفلورينات عموما كأوعية لحفظ المواد التي تتفاعل بشدة مع بخار الماء والأكسوجين وتنحل في الهواء، وكذلك تستعمل للاتحاد مع العناصر الخاملة جداً - التي لا تتفاعل مع أي عناصر أخرى- وأيضا في تجميعها وحمايتها، إذ يجد الكيميائيون صعوبة في الإمساك بهذه العناصر الخاملة.

ونظرا للتقدم المستمر في أبحاث الجزيء العجيب - 60، فإن هذا المجال ينبىء عن توقعات مدهشة، والأمر الوحيد الذي يتفق عليه جميع الخبراء هو أن معظم ما هو معروف في الوقت الحاضر من استخدامات فريدة لهذا الجزيء السحري، سوف يصبح متقادما بعد عدة أشهر، وهذا هو النوع الفعلي من المواقف التي تجعل العلم مفيدا، وفي نفس الوقت سببا للمتعة والبهجة، إذ إنه يبشر بالأمل في المستقبل.
[img][/img]

[IMG]

[/IMG]