هل يمكن أن تتحدى مادة واحدة مفاهيمنا الراسخة عن الحرارة والضغط في قوانين الفيزياء؟ في إنجاز علمي يفتح آفاقًا جديدة أمام عالم الفيزياء وعلوم المواد، أعلن فريق بحثي من جامعة شيكاغو عن اكتشاف مادة فريدة تخالف القوانين المعروفة: فهي تتمدد عند الضغط وتنكمش عند التسخين! هذه الظاهرة النادرة قد تفتح المجال أمام ثورات في تقنيات البطاريات، الطيران، والهندسة الإنشائية الذكية.
🧬 مادة غريبة تتحدى قوانين الفيزياء
باستخدام أدوات دقيقة مثل “الخلايا الماسية” للتحكم في درجات الحرارة والضغط، تمكن الباحثون من مراقبة التغيرات الطورية للمادة. وقد لاحظوا أن الجزيئات داخل البنية البلورية تتفاعل بطرق غير معتادة، بحيث تتحرك الذرات وتعيد ترتيب نفسها بطريقة تجعل المادة تنكمش عند التسخين وتتمدد تحت الضغط – وهو عكس ما نراه في أغلب المواد المعروفة.
🔄 ما المقصود بالمواد شبه المستقرة؟
المادة المكتشفة تنتمي إلى ما يُعرف بـ “المواد شبه المستقرة”، وهي مواد ليست في أقل حالة طاقة ممكنة، ولكنها تظل ثابتة لفترات طويلة دون أن تتغير تلقائيًا، إلا في حال تعرّضها لتحفيز خارجي.
مثال على ذلك هو الألماس. فبينما الشكل المستقر للكربون هو الغرافيت، إلا أن الألماس يظل صلبًا ومستقرًا لآلاف السنين، ما لم يتعرض لحرارة أو ضغط مرتفع.
لتوضيح ذلك، تخيل كرة موضوعة في حفرة أعلى تل. هي ليست في أدنى نقطة (أسفل التل)، لكنها أيضًا لا تسقط إلا إذا دفعتها. هذا هو معنى “شبه الاستقرار”.
🔥 التمدد الحراري السلبي.. عندما تنكمش المادة بالحرارة!
عادةً ما تتمدد المواد مع ارتفاع الحرارة بسبب زيادة حركة الجزيئات. لكن في هذه المادة، يحدث العكس تمامًا.
كيف ذلك؟ لأن الذرات لا تهتز فقط بشكل خطي، بل تتحرك بزاوية أو داخل شبكات مفتوحة، فتؤدي إلى “طي” البنية بدلاً من توسيعها. بعض الذرات تسحب جيرانها نحو الداخل عند التسخين، مما يؤدي إلى انكماش المادة.
تُظهر هذه الخصائص مرونة هندسية نادرة، تشبه ما يُعرف بالبنى الشبكية القابلة للطي والانغلاق مثل الأقفاص الجزيئية.
🔋 ثورة مرتقبة في تكنولوجيا البطاريات
تشير الدراسة إلى أن هذه المادة قد تكون الخطوة التالية في عالم بطاريات السيارات الكهربائية.
فبعد سنوات من الاستخدام، تنخفض قدرة البطاريات وتضعف المسافة المقطوعة. لكن هذه المادة قادرة على استعادة الحالة الأصلية للبطاريات عبر إعادتها إلى وضعها المستقر. تخيل سيارة كانت تقطع 600 كم، ثم أصبحت 400 كم فقط، يمكن لهذه التقنية استعادتها إلى الأداء الأصلي!
علاوة على ذلك، قد تُستخدم في تصنيع بطاريات هيكلية – وهي بطاريات تؤدي دورًا مزدوجًا: تخزين الطاقة وحمل الأحمال كجزء من الهيكل الخارجي للطائرة أو السيارة، مما يقلل الوزن ويزيد الكفاءة.
مستقبل المواد الذكية يبدأ هنا
في ظل تطور الذكاء الصناعي والمواد النانوية، يبدو أن المادة المكتشفة التي تتحدى قوانين الفيزياء من جامعة شيكاغو تمثل نقطة تحول جوهرية في فهمنا للفيزياء. مادة واحدة تجمع بين “التمدد السلبي” و”اللااستقرار الموجه”، مع إمكانية تسخيرها في الطاقة والنقل والهياكل الذكية.
قد لا تكون هذه المادة آخر اكتشاف من هذا النوع، لكنها بالتأكيد الأولى من نوعها التي تمهد الطريق نحو فيزياء جديدة بالكامل.
📚 المصدر
Nature – Pritzker School for Molecular Engineering, University of Chicago
❓ أسئلة يطرحها القراء:
ما هي المادة التي تنكمش عند التسخين؟
هي مادة شبه مستقرة تم اكتشافها حديثًا، تنتمي إلى فئة المواد التي تُظهر تمددًا حراريًا سلبيًا، أي تتقلص عند التسخين بسبب حركة غير تقليدية للذرات داخل بنيتها البلورية.
لماذا يعد هذا الاكتشاف مهمًا؟
لأنه يفتح الباب أمام تصنيع بطاريات أكثر كفاءة، وقد يغيّر مفهومنا التقليدي عن سلوك المواد تحت الضغط والحرارة.
ما الفرق بين المادة المستقرة وشبه المستقرة؟
المادة المستقرة في أقل مستوى من الطاقة ولا تتغير تلقائيًا، أما شبه المستقرة فتوجد في حالة توازن مؤقتة وتحتاج إلى محفز خارجي لتتحول.
هل يمكن استخدام هذه المادة في الإلكترونيات؟
نعم، بل إنها مرشحة لدعم تطوير بطاريات جديدة، وبالأخص البطاريات الهيكلية المستخدمة في السيارات والطائرات المستقبلية.
