الفصل الثاني

ألوان الجسيمات الكميَّة

في كتابي هذا، ستجدون ميكانيكا الكم من الموضوعات الرائعة بلا شك. ومع هذا، فيا ليت آثار الميكانيكا الكمية — المقتصرة عادةً على الأجسام الدقيقة التي لا تُرى بالعين المجردة — كانت مرئيةً، مثلما في تغيُّر الألوان! وهذا ما جذبني في البداية إلى الجسيمات الكميَّة، التي هي موضوعُ واحدةٍ من المقالات العلمية الخمس الأولى التي كتبتُها.

إذا أراد المرء أن يشقَّ جسيمًا أحمر إلى نصفين، فمن المتوقَّع أن يَنتج جسيمان أحمران في الغالب. ولكن في حالة الجسيمات الكميَّة، لا تكون الأمور بهذه البساطة؛ فهذه الحُبيبات الدقيقة للمواد شبه الموصلة التي يبلغ عرضها مجرد بضعة نانومترات، يمكن أن تكون سوداء أو بنية أو حمراء أو صفراء، كلٌّ منها بحسب حجمها. ويُفسَّر «الكم» باعتباره تحذيرًا بأن الآثار العجيبة لميكانيكا الكم مرتبِطة بهذه الغرابة.

fig19
شكل ٢-١: آلية عمل أشباه الموصلات. عادةً ما تحتلُّ الإلكترونات في المواد الصلبة أيًّا من «نطاقَي» الطاقة، حيث قد يكون نطاقُ التكافؤ أو النطاق الأدنى مملوءًا جزئيًّا أو كليًّا، ويصبح من اللازم استخدام الطاقة لتحريك الإلكترونات إلى نطاق التوصيل أو النطاق الأعلى. في حالة المعادن، يكون النطاق الأدنى مملوءًا جزئيًّا، وبالتالي توجد مساحات فارغة تستطيع الإلكترونات الانتقالَ إليها بسهولة. وفي حالة المواد العازلة، يكون نطاق التكافؤ مملوءًا، ونطاق التوصيل عاليًا لدرجة أن الإلكترونات لا تستطيع عادةً الانتقال إليه. ولكن في حالة أشباه الموصلات، يكون فرق الطاقة — أو فجوة النطاق — صغيرًا للغاية لدرجة أنه يمكن التغلُّب عليه بسهولة، عن طريق الطاقة الضوئية على سبيل المثال.
لكي نفهم هذه التغيُّرات اللونية وبعض الخواص المهمة الأخرى التي تتسم بها الجسيمات الكميَّة، علينا أولًا أن نفهم السببَ وراء كون أشباه الموصلات شبه موصِّلة، ولماذا تختلف عن كلٍّ من المواد الموصلة والعازلة. لا تتكون المعادن الصلبة ولا أشباه الموصلات من جزيئات، وإنما من مصفوفات هائلة من الذرات. والإلكترونات لم تَعُدْ موجودةً في سُحُبٍ محدَّدة المعالم (مدارية) تحيط بكل ذرة، ولكنها تغشي الجسم الصلب كله فيما يُسمَّى النطاقات. وما يميِّز أشباه الموصلات أنه من بين النطاقين اللذين يمكن لإلكتروناتِ أيةِ مادةٍ في الحالة الصلبة أن ترتكز عليهما، فإن النطاق ذا الطاقة الأدنى (نطاق التكافؤ) يكون مشغولًا بالكامل، في حين أن النطاق ذا الطاقة الأعلى (الحالة المثارة أو نطاق التوصيل) يظل خاويًا (انظر الشكل ٢-١). وفي هذه الحالة، يعجز كلا النطاقين عن نقل أيِّ شحناتٍ؛ فهما لا يوصلان إلا عندما تُقذَف الإلكترونات من النطاق الأدنى إلى النطاق الأعلى، عن طريق نوعٍ من طاقة الإثارة التي قد تنبع من الضوء أو الحرارة أو المجالات الكهرومغناطيسية. إذا حفَّزتْ موجات الضوء هذه الإثارة، فإن أطوالًا موجية معيَّنة من الضوء تُمتَصُّ خلال هذه العملية، بناءً على عرض فجوة الطاقة بين النطاقين («فجوة النطاق»). وهذا الامتصاص الانتقائي لبعض أجزاء الطيف المتصل من الضوء المرئي هو السبب وراء ظهور هذه المواد ملوَّنةً، فنحن نرى لونَ الضوء المتبقي الذي يكون مبعثرًا لا مُمتَصًّا.

إذن، فإن الجسيمات الكميَّة تكون في منطقة وسطى بين المادة شبه الموصلة «على نحو مطلق» وبين الجزيء المكوَّن من بضع ذرات فقط. ويفسِّر هذا الوضعُ الفريد خواصَّها الغريبة. فعند مستوى النانومتر، تتسع فجوةُ النطاق — التي تُعتبَر خاصية مميزة وغير متغيِّرة في المواد شبه الموصلة الكبيرة — مع تضاؤل حجم الجسيم. ومن ثمَّ، يعتمد كلٌّ من لون الجسيمات واستجابتها الإلكترونية على حجمها.

كيف تتكوَّن هذه الجسيمات؟ إنَّ تكوينَ الجسيمات الكميَّة بأيِّ حجم لم يكن بالأمر الصعب. ففي حقيقة الأمر، يمكن أن يفعله طلابُ الكيمياء دون قصدٍ في عامهم الدراسي الأول؛ إذ يكون عليهم أحيانًا إنتاجُ كبريتيد الكادميوم — وهو عنصر كان يُستخدَم في مقاييس التعرُّض الضوئي قديمًا عندما كانت هذه المقاييس منفصلةً عن الكاميرا، وتقريبًا بنفس كبر حجمها — عن طريق فوران غاز كبريتيد الهيدروجين عبر محلولٍ يحتوي على أيونات الكادميوم. وإذا توافرت الظروفُ المناسبة، فقد يحصلون على جسيمات يبلغ قطرها بضعة نانومترات، تنساب بسهولة عبر ورق الترشيح. عادةً ما يثير هذا التأثير المذهل استياءَ الطلاب، الذين كانوا يقصدون فصلَ الكادميوم عن العناصر المُذابة الأخرى لكي يواصِلوا تحليلاتهم. لكن في حالة التحضير الكيميائي للجسيمات الكميَّة، يُعَدُّ هذا المسارُ أسهلَ سبيلٍ للوصول إلى البنى النانوية الحجم؛ فعلماء الكيمياء المهتمون باستكشاف عجائب عالم النانو، مثل هورست فيلر من جامعة هامبورج بألمانيا، عادةً ما يستعينون بهذا الأسلوب لتكوين الجسيمات الكميَّة.

لكن علماء الفيزياء، على النقيض من ذلك، يدرسون آثارَ ميكانيكا الكم في الجسيمات الدقيقة من منظور مختلف؛ إذ يستفيدون من التصغير المتواصِل لطرق التصنيع المجهري، فيحدِّدون مناطِقَ نانوية الحجم على الشرائح المجهرية إما بتآكُل العناصر المحيطة، وإما باستخدام مجالات كهربائية دقيقة. ويمكن دمج «نقاط الكم» الناتجة في أجهزة إلكترونية.

وبالمعالجة الدقيقة بواسطة فولتات كهربائية صغيرة للغاية، يمكن حثُّ البلورات الكميَّة لتتصرف مثل «الذرات الصناعية». إذا نقلنا إلكترونًا واحدًا فقط من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، فسيحتفظ النطاقُ الأول بشحنة موجبة، والثاني بشحنة سالبة؛ وبالتالي نحصل على شحنتين تتطابقان مع أبسط ذرة (الهيدروجين). تتميز الذرات الصناعية بأنه يمكن اختيار عدد شحناتها بمطلق الحرية، وبالتالي يستطيع الباحثون إجراءَ دراساتهم عبر عناصر الجدول الدوري باستخدام نظامٍ نموذجيٍّ واحد فقط. وهي مفيدة بصفة خاصة لاختبار توقُّعات نظريات ميكانيكا الكم بتجارب بسيطة.

ثمة مجال ثالث يرتبط بكلٍّ من الأساليب الفيزيائية والكيميائية لجسيمات النانو شبه الموصلة، وهو كيمياء التجمُّعات المعدنية. هذه الأجسام الكيميائية التي قد تحتوي على ما يصل إلى بضعة عشرات من الذرات المعدنية، تعكس أيضًا آثارًا كميَّة، وإنْ كان ذلك في نطاق حجم أصغر من أشباه الموصلات. وأحد الأنواع المهمة لتجمُّعات الذهب سبق وتناولناها في مقال «تجمُّعات الذهب اللامعة البرَّاقة». ومع أن هذه المجالات البحثية الثلاثة تشهد تطوُّرًا مستقلًّا على مدار أكثر من عقد من الزمان، فإن التطورات التي تمَّ التوصُّلُ إليها في تسعينيات القرن العشرين تشير إلى أنها تتفق على فهمٍ جديد وأعمق للآثار الكميَّة في الجسيمات النانوية الحجم.

ستكون الجهود الموحدة لجميع الباحثين وقدراتهم الإبداعية مطلوبةً لدفع هذه المواد المثيرة للاهتمام إلى نطاق التطبيقات المفيدة، فعلى الرغم من أنها ظلَّتْ موضوعًا علميًّا بحتًا حتى الآن، يمكننا تخيُّل العديد من التطبيقات العملية لها، فيمكن استخدامها — على سبيل المثال — في تصميم ألواح شمسية أفضل، معتمِدة على مواد مسامية مغطَّاة بالجسيمات الكميَّة؛ فعن طريق تنويع أحجام الجسيمات على النحو المناسب، يمكن للمرء ضبطُ امتصاص الألواح لخواصِّ ضوء الشمس؛ وبالتالي يُحسِّن استغلالَ محتواها من الطاقة الشمسية.

خلال التفاعلات الكيميائية، تشير النسبة العالية من الذرات ذات السطح المكشوف في هذه المواد إلى أنها ستكون مناسِبةً للتحفيز الكيميائي. فعلى سبيل المثال، تُعتبَر جسيمات النانو الخاصة بأكسيد التيتانيوم وسيلةً للمعالجة التحفيزية للفضلات السائلة.

إلا أن الميزة الكبرى تكمن في مجالَي الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية؛ فعن طريق استخدام الجسيمات الكميَّة شبه الموصلة، لا يستطيع المرءُ فقط تحويلَ ضوء ذي طول موجي محدَّد إلى تيار بطريقة انتقائية، ولكنه يستطيع أيضًا أن يجعل الجسيمات تضيء عن طريق تعريضها لجهد كهربائي. وفي التطبيقات الفيزيائية، يتمنَّى المرءُ بالتأكيد استغلالَ حقيقة أن الجسيمات الكميَّة تتيح «التعامُلَ مع» إلكترونات أو فوتونات بعينها. ويتدارس علماء الفيزياء بالفعل الترانزستورات الأحادية الإلكترون، والمحوِّلات البصرية؛ فقد تصبح هذه العناصر مستخدَمةً في أجهزة الكمبيوتر الفائقة المستقبلية.

(١٩٩٣)

أحدث التطورات

بينما كنتُ منشغلًا عن هذا المجال، يبدو أن مصطلح «الجسيمات الكميَّة» لم يَعُدْ متداولًا لدرجة أنه لا يظهر في موسوعة ويكيبيديا، كما أن الدراسة التلخيصية لفيلر في عام ١٩٩٣ لا تظهر في قمة نتائج البحث على محرك جوجل. أعتقِد أن تجاهُلَه كان بسبب الاستخدام غير المقصود لمصطلح «نقطة الكم»، مع أنني وجدتُ أن كلا المفهومين مفيدٌ. حسنًا، فَلْترقدِ الجسيماتُ الكميَّة في سلامٍ، بينما تواصِل نقاطُ الكم المنافَسةَ من أجل تصنيع أول كمبيوتر كميٍّ مفيدٍ حقًّا، وهو الذي سأتناوله لاحقًا.

قراءات إضافية

  • H. Weller, Angew. Chem. Int. Ed. 1993, 32, 41.

جميع الحقوق محفوظة لمؤسسة هنداوي © ٢٠٢١