استخدام الأشعة السينية الليزرية لكشف البنى الغامضة للمواد

ترجمة: ميشيل رحال، الكيمياء العربي

تصنف المواد البلاستيكية على أنها من عائلة البوليميرات، والتي تعد تحدياً أمام العلماء لدراستها. تتكون السلسلة البوليميرية من اتحاد آلاف الذرات من بعضها وتتداخل السلاسل البوليميرية مثل معكرونة السباغيتي، يمكن قياس حركة السلاسل ضمن عدة سلالم زمنية وتعتبر هذه الحركات غير ملحوظة بالنسبة لبعض تقنيات الأشعة السينية.

إنّ الفهم الأعمق للبوليميرات على المستوى الجزيئي، وخصوصاً عندما يتم تبريدها انطلاقاً من الطور المصهور، وتحولها للطور الصلب، قد يؤدي لتحسين تقنيات التصنيع والحصول على مواد تؤدي وظائفها المطلوبة.

قام العلماء بتجربة ضمن قسم الطاقة في مخبر التسريع الوطني SLAC، في جامعة ستانفورد، وذلك باستخدام ضوء ليزري مترابط، من أجل كشف سبب السلوك المعقد للبولي ستايرن Polystyrene، وهو بوليمير شائع الاستخدام، مثل التعبئة الرغوية والكاسات البلاستيكية، وذلك مع سلسلة نبضات أشعةX- ليزرية ذات إضاءة عالية.

قام العلماء بدراسة الحركة الطبيعية لعينات البولي ستايرن، بعد تسخينها لدرجة حرارة ما بين درجة الانصهار ودرجة التصلب، فحصلوا على بنية شبيهة بالهلام.

يقول قائد البحث هيونجوغ كيم Hyunjung Kim ، من جامعة سوغانغ Sogang University/كوريا “لم يكن معروفاً إذا ما استطاعت العينات أن تنجو من التعرض للنبضات الليزرية الشديدة، مع ذلك فقد كانت الأضرار على العينة أقل بكثير من المتوقع”.

يقول العالم ايمريك روبرت Aymeric Robert: “من أجل رؤية ما تستطيع أن تحصل عليه من شيء كان يتحرك ثم أصبح شيئاً ساكناً تماماً هو غير مفهوم تماماً. يمكن مقارنة النتائج العملية كيف يمكن أن تتحرك البوليميرات بتأثير درجة الحرارة وغيرها من التأثيرات، ومن ثم مقارنتها مع النماذج النظرية، من أجل التنبؤ بسلوكيتها”.

من أجل دراسة حركة العينات المسخنة، قام الباحثون بإقحام حاضن من كرات ذهب نانوية ضمن البوليمير. ورصد تتابع صور الأشعة السينية على عدة أجزاء من العينة، مع تأخر زمني ما بين ظهور الصور بتراوح ما بين عدة ثوان حتى 17 دقيقة.

استطاعت هذه التقنية من أن تكشف أنماط بنيوية ذات تغيرات بالغة الدقة في موضع الكريات الذهبية بالنسبة لبعضها البعض، من أجل الحصول على التغيرات الكاملة ضمن العينة.

على عكس ما كانت تقوم عليه تجارب الكشف بالأشعة السينية التقليدية، والتي كانت تخرب العينات أثناء دراستها بالضوء الشديد، تسمح هذه التقنية لبعض المواد بأن تبقى على حالها دون أن تتأثر بنبضات الأشعة السينية، والتي هي مفيدة لدراسة الخواص على مجال زمني واسع نسبياً من ميلي ثانية حتى عدة دقائق.

يقول كيم: “أظهرنا أننا نستطيع دراسة الحركات المعقدة لعينة بوليميرية حتى عند سلم زمني بطيء”. ويضيف بأنه يمكن استخدام هذه التقنية من أجل دراسة الحركات ذات المدى الطويل على كامل العينة، وأن التجارب المستقبلية قد تغير توزع وأبعاد الكريات الذهبية من أجل قياس أفضل لحركة السلاسل الجزيئية. وأيضاً، يمكن أن يفيد تسريع عدد النبضات الضوئية بدراسة الحركة على مستوى زمني أبطأ.

المصدر:

Carnis, J., Cha, W., Kang, J., and et al. (August 11, 2014). Demonstration of feasibility of X-ray free electron laser studies of dynamics of nanoparticles in entangled polymer melts. Scientific Reports, 4. doi:10.1038/srep06017