الماس الصناعي: فيزياء التبلور المختبري

الرئيسة / مقالات علمية

محمد المدني

عدد المقالات : 9

ربما تتساءل الآن ما الذي يجعل قطعة من الكربون النقي، مرتبة في بنية رباعية تكرارية ثلاثية الأبعاد، أن تصبح أحد أصلب المواد المعروفة للبشر الأمر ليس فقط في الكيمياء، بل في فيزياء الحالة الصلبة والبنية البلورية نفسها، حيث تلعب الروابط التساهمية الفائقة بين ذرات الكربون المتناظرة الدور الحاسم، ومن هنا يبدأ حديثنا عن الماس الصناعي، ذاك المنتج الذي أراد العلماء من خلاله تحدي الطبيعة نفسها وإعادة خلق ظروف الأرض الباطنية في مختبرات معاصرة حول العالم، نحن لا نتحدث هنا عن تقليد بصري للماس الطبيعي، بل عن إعادة بناء للتركيب الفيزيائي الدقيق، وهنا يبرز سؤال: كيف يُصنع الماس صناعياً لنبدأ من الأساس الفيزيائي.
أنت تعرف أن الضغط ودرجة الحرارة هما المحددان الأساسيان لتحول الكربون إلى ماس، وهذا ما تحققه التقنية الأولى وهي طريقة الضغط العالي والحرارة العالية (HPHT)، حيث تُوضع قطعة من الغرافيت، أو أحياناً هيدروكربونات، داخل خلايا ضغط صممت لتوليد أكثر من 5 غيغا باسكال من الضغط مع حرارة تفوق 1500 كلفن، هذه القيم ليست اعتباطية بل تم اشتقاقها من معادلات الحالة للكربون في أطواره الصلبة، وتحديدًا من دراسات على خطوط الطور، واحدة من أقدم الدراسات التجريبية التي أرست الأساس لهذا المسار تعود إلى ستانفورد موور وروس ميلز من مختبرات "جنرال إلكتريك" عام 1955، حيث نجحوا في تصنيع أول ماس صناعي حقيقي، وليس مجرد مادة شبيهة، بالاعتماد على خلية بلتونيك سداسية الرأس تخلق تلك الظروف الفيزيائية القاسية المطلوبة لتكوين البنية الماسية.
لكن التقنية الأخرى التي ربما ستشد انتباهك أكثر، خاصة إن كنت تميل إلى فيزياء البلازما والسطوح، هي تقنية ترسيب الأبخرة الكيميائي (CVD)، وفيها لا نحتاج لضغط هائل، بل نستخدم مزيجًا من غازات الكربون (عادة ميثان) والهيدروجين تحت ضغط منخفض، وتُعرّض لبلازما ناتجة عن مجال ميكروويفي موجه بدقة، فتتفكك الروابط داخل الميثان، وتترسب ذرات الكربون فوق ركيزة مسطحة، غالبًا من الماس الصناعي أو السيليكون، ما يعطي فرصة لبناء بلورات ماسية طبقة تلو أخرى، هذه العملية التي قد تبدو بطيئة تُدار بمعادلات نشر حراري وانتقال الكتلة، ولها جذور في تجارب جامعة طوكيو التقنية منذ الثمانينيات بقيادة البروفسور ماسايوكي كاوامورا، وقد طورتها لاحقًا مختبرات جامعة ولاية أريزونا تحت إشراف فيزيائي المواد المتقدمة الدكتور كريستوفر هيتون.
قد تسألني: أين يصنع هذا الماس الآن على نطاق تجاري والإجابة ستفاجئك، فالصين هي اللاعب الأول عالميًا في إنتاج الماس الصناعي، إذ تسيطر وحدها على ما يفوق 90 من السوق العالمية، تحديدًا عبر شركات مثل Zhengzhou Sino-Crystal Diamond التي تعمل بخطوط إنتاج CVD وHPHT واسعة النطاق، تليها الهند والولايات المتحدة، حيث تتصدر شركة Element Six التابعة لـ"دي بيرز" المشهد التقني في أوروبا والولايات المتحدة، كما توجد برامج بحث متقدمة في جامعة كامبريدج بالتعاون مع مختبرات IBM لتحسين الأداء الإلكتروني للماس الصناعي في التطبيقات الكمية
فيزيائيًا، من أهم خصائص الماس الصناعي والتي يجب أن تُفهم من منظار فيزيائي دقيق، هو فجوة الحزمة (band gap) العالية التي تبلغ حوالي 5.5 إلكترون فولت، مما يجعله مادة عازلة للكهرباء بشكل شبه كامل ولكن في الوقت نفسه قادرًا على تحمل حقول كهربائية عالية دون انهيار، بل والأدهى من ذلك، فإن نقاوته البلورية تسمح بإقحام شوائب مضبوطة بدقة مثل شوائب النتروجين المعروفة بمراكز NV (Nitrogen Vacancy centers)، والتي أصبحت الآن حجر الزاوية في أنظمة الحوسبة الكمية ومعالجات الاستشعار الكمومي، وهنا لا يمكن أن نغفل إسهام الدكتور ديفيد أويس في جامعة هارفارد الذي أشرف على أول تجارب تثبيت وتحكم في مركز NV أحادي داخل بلورة ماس صناعي عام 2013، وقد تطورت هذه التقنية اليوم لتُستخدم في المجسات الكمية الدقيقة في جامعة بازل وجامعة ستانفورد.
لنضع الأمور الآن في سياق أوسع، لا يقتصر دور الماس الصناعي على الجماليات أو التطبيقات البسيطة، بل هو اليوم في صميم أبحاث الإلكترونيات عالية القدرة، حيث بدأت معامل توشيبا وبوش في تطوير ترانزستورات من الماس تعمل بكفاءة تحت درجات حرارة تتجاوز 400 درجة مئوية، وهذا لا يمكن أن يحدث إلا بفضل الموصلية الحرارية الفائقة للماس والتي تصل إلى 2200 واط/متر.كلفن، وهي أعلى من أي مادة صلبة معروفة بما في ذلك النحاس.
والآن، ربما تتساءل ما إذا كانت هذه التكنولوجيا في متناول العالم النامي، ومن هنا تبرز مبادرات بارزة مثل مركز النانوفوتونيات في جامعة سنغافورة الوطنية، حيث يشرف البروفسور فينيت شاندرا على مشروع تحويل مخلفات الكربون الصناعي إلى ألماس منخفض التكلفة باستخدام ترددات ميكروية محلية الصنع، في حين تدير جامعة بغداد قسمًا ناشئًا لأبحاث المواد فائقة الصلابة بالتعاون مع معهد بحوث النانو بجامعة شيفيلد البريطانية
حين ننظر إلى الماس الصناعي، فإننا لا نرى مجرد مادة فائقة الصلابة، بل نرى الدليل الأوضح على قدرة الفيزياء على تجاوز حدود الطبيعة ذاتها، فأن نعيد بناء واحدة من أعقد البنى البلورية تحت شروط نولدها نحن في المختبر هو اعتراف ضمني بأن العلم لم يعد يكتفي بالملاحظة، بل أصبح يمارس الخلق، لا بالمعنى الفلسفي، بل بالمعنى الدقيق لصياغة المادة من قوانينها الأساسية، وهذا ما يمنح الماس الصناعي مكانته، ليس كمجرد منتج، بل كإنجاز تجريبي يعكس تراكمًا معرفيًا هائلًا في الديناميكا الحرارية، فيزياء المواد، ميكانيكا الكم، وهندسة الحقول. لذلك، حين تحمل شريحة من الماس الصناعي داخل معالج كمومي أو مستشعر دقيق، فأنت تحمل اختزالًا للعقل البشري وقدرته على تنظيم الذرات لا كما وجدت، بل كما يجب أن تكون. وفي هذا السياق، لا يُعد الماس الصناعي نهاية طموحنا، بل بدايته، بداية لعصر تتقاطع فيه حدود المادة مع حدود التصميم، وتندمج فيه الفكرة مع البنية في معادلة واحدة: الفيزياء تصنع المستقبل.

الهدف من هذا المقال ليس فقط أن تستوعب كيف يُصنع الماس الصناعي، بل أن ترى في هذا الجهد تكاملًا بين فيزياء الحالة الصلبة، الديناميكا الحرارية، فيزياء البلازما، ميكانيكا الكم، والنمذجة الحاسوبية، فكل بلورة يتم توليدها صناعيًا هي تتويج لفهمنا العميق لسلوك المادة تحت الظروف القصوى، وهي أيضًا مثال رائع على كيف يمكن للعلم أن يحاكي الطبيعة بل ويتفوق عليها أحيانًا.

اعضاء معجبون بهذا

جاري التحميل

ثقافية

رحلة منتخبنا الأولمبي عام 1995

في عام 1995 قرر الاتحاد العراقي المشاركة في التصفيات الاولمبية بعد ان غاب العراق عن تصفيات 1991 لظروف كثيرة وكان الاتحاد الاسيوي قد فرض المشاركة تحت سن 23 اعتبار من تصفيات 1991 لذلك كان على العراق تشكيل منتخب اولمبي لاول مرة تحت سن 23 ليشارك في اتصفيات اولمبياد اتلانتا وقد انيطت بالمدرب الكبير انور جسام مهمة... المزيد

اسعد الدلفي

عدد المقالات : 8

قراءة نقدية على كتاب سلسلة القبائل العربية في العراق

قراءة نقدية على كتاب سلسلة القبائل العربية في العراق (13) قبيلة خفاجة لمؤلفه عبد الهادي الربيعي. بقلم/ مجاهد نعثر منشد اطلعت مؤخرا على الكتاب المشار إليه في عنوان هذه المقالة، وهو مؤلف تدوين لا يرقى لشروط البحث العلمي صدر عام 2011 م، واستند لمصدر حديث عن خفاجة مؤلفه لم يتحرر من التحيز لعشيرته أما صاحب... المزيد

مجاهد منعثر الخفاجي

عدد المقالات : 379

حجر بن عدي يهدد السلم الأهلي

كان لابد من أن يُسلَّط علی العراق أقسی الولاة،ولابد من التفنن في إيجاد العقوبات عليه،فهو بلد عصيّ علی السلطة الأموية،والكوفة باتت مركز التشيّع منذ أن جعلها الإمام علي (عليه السلام) مركزا للحكم،فالتشيع يتناسب عكسيا مع بقاء الأمويين وسيادتهم القائمة علی عقيلة التملك واستعباد الناس؛لذا لاخيار سوی... المزيد

د.أمل الأسدي

عدد المقالات : 46

المافيا الاسيوية والتلاعب بنتائج الكرة الاسيوية

كرة القدم في اسيا في وضع خطر حاليا بطولة امم اسيا في خطر تصفيات كاس العالم في خطر بطولات الاندية في خطر حيث يزداد انتشار التلاعب بنتائج مباريات كرة القدم في آسيا بشكل ملحوظ، تُعدّ قوانين المراهنات في اسيا متساهلة جدا، إلى جانب الحجم الهائل لسوق المقامرة، فهي بيئةً جاذبةً للغاية وفقًا لخبراء نزاهة... المزيد

اسعد الدلفي

عدد المقالات : 8

أدبية

بقايا إنسان...

بقلم زيد علي كريم الكفلي جلست وحدي في غرفتي الصغيرة وجلس معي طيرا توقف عن الطيران... شاهدت بصيص شعاع نور أنار ظلامي أخذت أتأمله طويلا... سمعت صوته يحوم في أزقة أفكاري إلى متى وأنت تجلس في هذا الظلام بحثت عنه في كل الظلمات... في وراء النجمات... في أوراق الزمن الماضي... رأيت صورته المعلقة على جدران قلبي... المزيد

زيد علي كريم الكفلي

عدد المقالات : 75

أرض الأحلام ( شعر )

أرض الأحلام قصيدة للشاعر/حمدي الروبي ................ يتجمدُ .. كلُّ الماءِ العذب تتناثرُ .. كلُّ حروفِ الحب تتدافعُ عبراتُ الأشواق طوفانًا يجتاحُ العشَّاق وأحملُ أوراقكِ ، أوراقي وأُخبئكمُ .. في أحداقي وأسعى .. في معراج الوجد إسراءً .. في أرض الأحلام أتطايرُ .. فوقَ الأوهام حيث .. لا ظلم ولا وهم حيث ..... المزيد

حمدي الروبي

عدد المقالات : 31

ساعة مع شاعر العرب الفرزدق

بقلم زيد علي كريم الكفلي هذا الذي تعرف البطحاء وطأته... والبيت يعرفه والحل والحرمُ.....هذا ابن خير عباد الله كلهم.....هذا التقي النقي الطاهر العلمُ........إذا رأته قريش قال قائلها: إلى مكارم هذا ينتهي الكرم. قال عنه السيد محسن الأمين في أعيان الشيعة: كان الفرزدق سيدا جوادا فاضلا ، وجيها عند الخلفاء والأمراء،... المزيد

زيد علي كريم الكفلي

عدد المقالات : 75

في محراب الحب (شعر)

قصيدة للشاعر/حمدي الروبي .......................... نظراتك واهمة حيرى تاهت في أنَّاتِ الظلم واختنقت في دائرة البوح حيثُ الأصوات تلاشت مع آهاتِ الحبِ الأحمق في صلواتِ حبيبٍ يغرق في عالم شرٍّ تتمنِّينَ زواله أو تغييره .. أو تلوينه أو ... أو ... أنا مثلك .. توَّاقٌ للحب للنور .. يفيض من القلب فيمحو ما رانَ على... المزيد

حمدي الروبي

عدد المقالات : 31

علمية

كيفية حماية أموالك أثناء التضخم وأنواع مؤشرات الأسعار وصيغة قياس التضخم

كيفية حماية أموالك أثناء التضخم هناك مجموعة من التدابير التي يمكن للأفراد اتخاذها لحماية أموالهم من التضخم. على سبيل المثال، يمكن للمرء اختيار الاستثمار في فئات الأصول التي تتفوق على أداء السوق خلال فترات التضخم. قد يشمل ذلك سلعًا مثل الحبوب،... المزيد

لابلاس ورؤية العقل المتكامل: الحتمية في عالم متغير

في تاريخ العلم، وُجدت عقولٌ لم تكتفِ بفهم الطبيعة، بل أرادت أن تملي عليها قوانينها. من بين هؤلاء، يتألّق بيير-سيمون لابلاس، الرجل الذي صاغ حتمية الكون بيدٍ من رياضيات وحديد من منطق، حتى بدا وكأنه يرى الكون كما هو، بلا غموض ولا مصاد داخل كون... المزيد

سلسلة في مفاهيم الفيزياء (ج4) : ميكانيكا الكم التأملي والواقع الخارجي

سلسلة في مفاهيم الفيزياء الجزء الرابع: ميكانيكا الكم التأملي والواقع الخارجي الأستاذ الدكتور نوري حسين نور الهاشمي 4 يونيو 2025 حرصت في هذا الجزء، كما في الأجزاء السابقة، على إبقاء الطرح بسيطًا وغير تقني. ليس فقط لأن هذا هو السبيل الأمثل لنقل... المزيد