ساعد الذكاء الاصطناعي الفيزيائيين على رؤية ذوبان الذرات في الوقت الحقيقي لأول مرة

حصل الباحثون في جامعة فيينا على رؤى غير مسبوقة حول كيفية تصرف الذرات عند صهر المواد فائقة الرقة. أعمالهم المنشورة في علوميدحض الأفكار الراسخة حول التحولات الطورية ويفتح فرصًا جديدة لفهم خصائص البلورات ثنائية الأبعاد، المهمة للإلكترونيات المرنة وتكنولوجيا النانو.

من الصلب إلى السائل: قواعد غير عادية للمواد الرقيقة

في المواد الشائعة مثل الجليد أو المعدن أو البلاستيك، يحدث الذوبان فجأة: عند الوصول إلى نقطة الانصهار، يتم تدمير الشبكة البلورية وتصبح المادة سائلة على الفور. لكن عندما تصبح المادة ثنائية الأبعاد تقريبًا، تتغير الفيزياء. لا يمكن للذرات أن تتحرك إلا في مستوى، مما يحد من إعادة ترتيبها في بنية ثلاثية الأبعاد.

في مثل هذه الظروف، ما يسمى المرحلة السداسية. وفيها تصبح المسافات بين الذرات فوضوية، كما في السائل، لكن الزوايا بين الذرات المتجاورة تظل منظمة، تذكرنا بالمادة الصلبة.

يوضح مؤلفو الدراسة: “الحالة السداسية هي نوع من البلورات المهتزة، ليست سائلة تمامًا ولا صلبة تمامًا”.

وعلى الرغم من أن نظرية هذه المرحلة ظهرت في السبعينيات، إلا أنه لم تكن هناك حتى الآن ملاحظات مباشرة في المواد الحقيقية.

المراقبة على المستوى الذري

استخدم العلماء طبقة سميكة من ذرة واحدة من يوديد الفضة محصورة بين ورقتين من الجرافين. قام الجرافين بحماية البلورة الصغيرة وسمح بتسخينها بأمان إلى 1100 درجة مئوية. سجل المجهر الإلكتروني النافذ الماسح (STEM) العملية على شكل فيديو، وتتبعت الشبكات العصبية للذكاء الاصطناعي موقع كل ذرة عبر آلاف الإطارات، وهو أمر كان من المستحيل القيام به يدويًا.

نتائج غير متوقعة ونظرة جديدة للذوبان

وصلت الذرات إلى المرحلة السداسية عند حوالي 25 درجة مئوية قبل نقطة الانصهار الطبيعية، وهو ما يتوافق مع النظرية. ومع ذلك، تبين أن الانتقال من الحالة السداسية إلى الحالة السائلة كان مفاجئًا، وليس تدريجيًا، كما كان يُعتقد.

وقال كيمو موستونن، كبير مؤلفي الدراسة: “بدون أدوات الذكاء الاصطناعي، سيكون من المستحيل تتبع تحركات جميع الذرات”.

يكسر هذا الاكتشاف النماذج الراسخة للانصهار ثنائي الأبعاد. في السابق، كان يُعتقد أن هذه العملية تكون دائمًا تدريجية، ولكن من الواضح الآن أنها تتصرف في المرحلة الثانية مثل الذوبان ثلاثي الأبعاد – بشكل حاد ومفاجئ.

وأضاف ديفيد لامبرخت من جامعة فيينا والجامعة التقنية في فيينا: “إن ذوبان البلورات التساهمية ثنائية الأبعاد أكثر تعقيدًا بكثير مما كنا نعتقد”.

الآثار المترتبة على العلوم والتكنولوجيا

إن المراقبة المباشرة للذرات في الوقت الفعلي تفتح آفاقًا جديدة لعلم المواد. فهو يساعد على فهم سلوك البلورات في درجات الحرارة المرتفعة ويمكنه تسريع تطوير الإلكترونيات المرنة والمواد النانوية والأجهزة ذات الخصائص الفريدة. بالإضافة إلى ذلك، أصبح الجمع بين الفحص المجهري والذكاء الاصطناعي هو المعيار لتحليل العمليات المعقدة على المستوى الذري.

أظهرت النتائج أن المواد ثنائية الأبعاد لا تخضع لقوانين الذوبان المعتادة. وهذا يفرض إعادة النظر في النظريات المتعلقة بالتحولات الطورية ويحفز على إجراء المزيد من التجارب لفهم كيفية تصرف الذرات في ظل الظروف القاسية. ومع تقدم الذكاء الاصطناعي والفحص المجهري، سيتمكن العلماء من دراسة أنظمة أكثر تعقيدًا وإنشاء مواد ذات خصائص محددة.