الترتيب البلوري وغير البلوري المعتمد على الاتجاه في مادة صلبة ذات طور واحد

عندما يعيش النظام واللا-نظام جنبًا إلى جنب

معظم المواد من حولنا تنتمي إلى فئتين واضحتين: البلورات، حيث تصطف الذرات في أنماط متكررة مثل بلاطات على أرضية، والزجاجيات، حيث تتشتت الذرات كما في سائل متجمد. تكشف هذه الدراسة عن حالة مفاجئة بين هاتين الحالتين: مادة صلبة تشبه الزجاج في اتجاهين لكن تشبه البلورة في الاتجاه الثالث. قد يغيّر هذا المزيج غير المألوف من النظام واللا-نظام طريقة تفكيرنا في المواد اليومية، من البطاريات إلى شرائح الكمبيوتر، وكيف نصممها من المستوى الذري صعودًا.

لغز ذري جديد من قطع البازل

تعرف البلورات بترتيبها بعيد المدى: إذا عرفت مواضع عدد قليل من الذرات، يمكنك أن تتوقع مواضع الكثيرين غيرها. المواد غير المتبلورة، مثل زجاج النوافذ، تفتقر إلى هذا التكرار، مع أن الذرات تظل تحافظ على بعض المسافات المنتظمة مع أقرب جيرانها. لعقود، ناقش العلماء كيف نصف منطقة «الترتيب المتوسط» بينية المدى، حيث يمتد النمط لبضع ذرات لكنه لا يستمر إلى ما لا نهاية. اتخذ مؤلفو هذه الورقة زاوية مختلفة: بدلًا من التساؤل عما إذا كانت المادة بأكملها منظمة أو غير منظمة، سألوا ما إذا كانت اتجاهات مختلفة داخل نفس الصلب يمكن أن تتصرف بشكل مختلف.

قضبان متراصة ذات نمط خفي

أنشأ الفريق أفلامًا رقيقة مصنوعة من قضبان صغيرة تحتوي على النيبوبيوم والتنجستن والأكسجين (Nb–W–O) باستخدام ترسيب الليزر النبضي، وهي تقنية تطلق دفعات قصيرة من الطاقة على هدف خزفي لبناء مادة على سطح بلوري. باختيار مادة قاعدة بلورية معروفة، تيتانات السترونشيوم، مقطوعة على وجوه مختلفة، تمكنوا من التحكم في كيفية نمو قضبان Nb–W–O. أظهرت صور المجهر الإلكتروني أنه داخل كل قضيب، تقع الذرات ضمن طبقة واحدة في ترتيب مشوش يشبه الزجاج عبر المستوى. ومع ذلك، عند النظر على طول الاتجاه العمودي، وجد الباحثون أن هذه الطبقات المشوشة متراصة بتباعد منتظم تقريبًا على مدى مئات الطبقات الذرية: بلورة مبنية من صفائح زجاجية.

رؤية العشوائية عن قرب

لاختبار مدى عشوائية الطبقات فعلاً، جمع الباحثون عدة مجسات قوية. أظهرت صور المجهر الإلكتروني عالية الدقة، مع تحويلاتها الفوريرية، عدم وجود نمط متكرر في مستوى كل طبقة، مؤكدة غياب الترتيب بعيد المدى. كشفت قياسات دالة توزيع الأزواج، التي ترسم المسافات النموذجية بين الذرات، عن قمم حادة فقط عند مسافات قصيرة جدًا، مما يدل على أن الذرات لا تزال تشكل وحدات بنائية أساسية — وحدات ثمانية الوجوه حيث يحيط ذرة معدنية بذرات أكسجين — لكن أي نمط متكرر أكبر يتلاشى بسرعة. أكدت تقنيات الامتصاص بالأشعة السينية المتقدمة أن النيبوبيوم والتنجستن يجلسان في هذه الثمانيّات المشوهة، في حين أظهرت الخرائط الكيميائية أن ذرات النيبوبيوم والتنجستن مختلطة دون نمط منتظم عبر الطبقة.

صفائح زجاجية مكدسة تتصرف كبلورة

على الرغم من أن كل طبقة غير منظمة بنيويًا ضمن مستواها، فإن تكديسها العمودي ليس عشوائيًا. كشفت خرائط فضاء العكسية ثلاثية الأبعاد باستخدام مصادر أشعة سينية سنكروترونية، وهي طريقة تحول أنماط التشتت إلى بصمة من الترتيب الذري، عن ميزات شبيهة بالصفائح تتطابق مع محاكاة لطبقات غير متبلورة مكدسة دورياً. اعتمادًا على كيفية توجيه تيتانات السترونشيوم الأساسية، تنمو القضبان في اتجاه واحد أو اثنين أو ثلاثة اتجاهات مفضلة، لكن في كل الحالات تكون المسافة بين الطبقات متقاربة للغاية ومرتبطة بقوة بتباعد بلورة الركيزة. بعبارة أخرى، تعمل البلورة الأساسية كمسطرة صلبة، فتلزم الطبقات الشبيهة بالزجاج بالتراص بانتظام بلوري على طول محور أساسي واحد، رغم أنها تظل مشوشة جانبياً.

لماذا تهم هذه المنطقة الحدية

تظهر هذه المادة غير الاعتيادية أن الخط الفاصل المعتاد بين البلورة والزجاج لا يتعلق فقط بمدى امتداد الترتيب، بل أيضًا باتجاهات الرصد. داخل صلب واحد يمكن للذرات أن تشكل شبكة عشوائية مستمرة في بعدين بينما ترتب نفسها بإيقاع مثالي في البعد الثالث. تمنح هذه الرؤية العلماء ملعبًا جديدًا لضبط الخصائص: يمكن تخيل مواد يكون فيها التوصيل الكهربائي أو حركة الأيونات أو المتانة الميكانيكية موجهة بشكل كبير لأن النظام واللا-نظام يتعايشان بطريقة مُتحكم بها. بالإضافة إلى هذا الأكسيد الخاص بالنيبوبيوم والتنجستن، يقدم العمل منصة لاستكشاف ونمذجة تكدسات المادة ثنائية الأبعاد غير المتبلورة، مساعدًا في تحسين كيفية وصف وقياس وفي النهاية هندسة المواد الصلبة الواقعة بين عالمي البلورات والزجاجيات المألوفين.

الاستشهاد: Xia, R., Li, J., Birkhölzer, Y.A. et al. Orientation-dependent mutual crystalline and amorphous order in a single phase solid. Nat Commun 17, 2646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69359-3

الكلمات المفتاحية: المواد غير المتبلورة, الترتيب البلوري, أكسيد النيبوبيوم والتنجستن, أعمدة نانوية رقيقة الفيلم, البنية الذرية