هذا ما يبدو عليه جزيء النيتروجين الفوليرين. ذرة نيتروجين داخل خلية كربونية تتكون من 60 ذرة كربونيسمح النظام الجغرافي الحديث لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الذي طوره الجيش الأمريكي للسيارات والأدوات وأصحابها بالتنقل في الزمان والمكان. يرسل النظام البيانات بدقة تحسد عليها - حوالي 1 إشارة لكل 100 نانو ثانية. هذه الإشارات ضرورية للملاحة الدقيقة. بمعرفة سرعة انتشار الموجات اللاسلكية ، يمكنك حساب موقعك الخاص بخطأ من عدة أمتار.
لكن أنظمة تحديد الموقع الجغرافي (GPS و GLONASS وغيرها) لا يمكنها حل جميع المشاكل مع مرور الوقت. والحقيقة هي أن أقمار مثل هذا النظام نفسها "تعرف" الوقت بواسطة الساعات الذرية ، وهي دقيقة للغاية. ومع ذلك ، قد تفشل الإشارة نفسها - بسبب تأثير الدخلاء أو العوامل الطبيعية (عاصفة شمسية أو حتى انعكاس بسيط للإشارة اللاسلكية من المباني). ولكن ماذا لو تم تضمين ساعة ذرية في جهاز استقبال GPS؟
هذا ليس فكرًا خاملًا ، ولكنه مشروع حقيقي ، تم نشر وصفه في المنشور الرسمي
رسائل المراجعة الفيزيائية . هذه الساعات الذرية المتحركة ، وفقًا لمؤلفي الدراسة ، ممكنة حقًا. يأمل العلماء أيضًا في إنشاء "آلية" مماثلة قريبًا.
القلب والمركز الوظيفي لأي ساعة ذرية عبارة عن حاوية بها هواء مفرغ و "سحابة" من المعدن البخاري ، عادة السيزيوم. وتردد الذرات بتردد معين يتم إصلاحه بمساعدة الأجهزة. في الوقت نفسه ، تكون ذرات السيزيوم "غير مبالية" بالتأثير المادي على الساعة ، والاهتزازات والعوامل الأخرى ، وهي حساسة للغاية ، على سبيل المثال ، الساعات. أبعاد هذه الأنظمة مختلفة للغاية. ولكن هناك بالفعل ساعة ذرية ، لا يتجاوز حجمها حجم حقيبة صغيرة.
وفي عام 2004 ، ظهرت أنظمة مصغرة أكثر ، طورها علماء من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. كانوا قادرين على تحقيق تخفيض في حجم الساعات الذرية لأبعاد شريحة واحدة. وتستخدم هذه الأنظمة في عدد من مجالات العلوم والتكنولوجيا ، بما في ذلك الشؤون العسكرية والملاحة تحت الماء. ولكن ، لسوء الحظ ، يؤثر التصغير بشكل كبير على السعر. كلما كانت الساعة الذرية أصغر ، كلما كانت أغلى. الحقيقة هي أن إنتاج مثل هذه الأنظمة أمر صعب للغاية.
بشكل عام ، لا يمكن للمرء أن يتوقع ظهور هذا النوع من الساعة الذرية في أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الهواتف. حتى إذا ظهرت ، ستكون الأجهزة باهظة الثمن. ومن غير المحتمل أن يكون الهاتف شائعًا بتكلفة تبلغ بضع عشرات الآلاف من الدولارات ، وهو بالتحديد الطلب الذي يولد العرض ، وتذهب التكنولوجيا إلى الجماهير. وإلى أن يصبح من الممكن تقليل تكلفة إنتاج هذه الأنظمة ، ستبقى الساعات الذرية المصغرة مصير دائرة ضيقة من المتخصصين. ربما سيكون الجيش قادرًا على الدفع مقابل مثل هذه الأنظمة ، ربما وكالة ناسا ووكالات فضائية أخرى. لكن الخروج "للشعب" لن يتم.
قد يكون المخرج من هذا الوضع خيارًا بديلاً لإنشاء ساعات ذرية ، تم اقتراحه في عام 2008 من قبل أندرو بريجز وأرزانغ أردفان من جامعة أكسفورد. اقترح العلماء نسيان الفراغ والزوج المعدني ، وإغلاق ذرة نيتروجين واحدة في خلية الكربون. هذه الخلية هي الفوليرين إندوهيدرال.
الفوليرينات إندوهيدرال هي جزيئات
الفوليرين في الخلية التي تحتوي على ذرة أو أكثر من الجزيئات.
إن N @ C
60 هو أحد أنجح مختبري الفوليرين. هذه ذرة نيتروجين داخل خلية بها 60 ذرة كربون. يشبه هذا الهيكل كرة القدم. في الواقع ، تتحرك ذرة النيتروجين بحرية في هذه الخلية ، محتفظة بخصائصها. بالمناسبة ، أنشأ العلماء بالفعل هياكل مماثلة مع الهليوم والنيون. ولكن ، كما اتضح ، كانت ذرة النيتروجين في "خليتها" هي المثالية لإنشاء ساعات ذرية مصغرة.
هناك فارق بسيط مثير للاهتمام هنا - N @ C
60 هو جزيء لا ينبغي أن يكون موجودًا ، لأن تفاعل ذرة النيتروجين مرتفع جدًا. يتطلب إنشاء هيكل معقد من هذا النوع شروطًا خاصة ، والتي يمكن تسميتها متطرفة. والحقيقة هي أن دفع ذرة النيتروجين إلى هيكل الكربون يماثل تقريبًا إجبار الماء من الصنبور على التدفق لأعلى. نحن نتحدث عن السمات الديناميكية الحرارية لمثل هذا التفاعل. ولكن بمجرد تشكيل الهيكل ، يصبح مستقرًا على الفور ، لأن الكربون يعزل ويثبت ذرة النيتروجين. وبالتالي ، يمكن تخزين المنتج الناتج دون أي مشاكل.
في مختبر جامعة أكسفورد ، وجدوا طريقة لإنتاج فوليرين النيتروجين ، إن لم يكن بشكل كبير ، ثم بسرعة كافية. يستخدمون طريقة تسمى زرع الأيونات. يتم تسخين الفوليرين إلى درجة حرارة التبخر في خزان فراغ ، وبعد ذلك يتم ترسيبها على الركيزة. يتم تشكيل طبقة رقيقة من C
60 . أثناء نمو هذا الفيلم ، يتم قصفه بذرات النيتروجين. بعضهم عالقون في الفيلم ، وتشكيل الهيكل المطلوب. صحيح أن الإنتاجية منخفضة للغاية: يتكون جزيء "النيتروجين الفوليرين" مرة واحدة لكل 10000 حالة.
بعد اكتمال الإجراء ، من الضروري تخصيص N @ C
60 . المشكلة هي أن الخواص الكيميائية لـ C
60 و N @ C
60 متطابقة تقريبًا. ومع ذلك ، لا تزال هناك اختلافات. هذا ، أولاً ، الوزن الجزيئي ، وثانياً ، الاستقطاب. يتيح هذان الاختلافان استخراج فوليرين النيتروجين باستخدام طريقة تسمى الكروماتوغرافيا السائلة عالية الضغط (HPLC).
في الفصل اللوني التقليدي ، يتم فصل المواد التي لها خصائص كيميائية مختلفة عن بعضها البعض ، على سبيل المثال ، من خلال ألياف الورق الخاص. في حالة كروماتوغرافيا الضغط العالي ، يكون المبدأ هو نفسه ، ولكن يتم دفع المادة من خلال "فاصل" تحت الضغط. في حالة فصل فوليرين النيتروجين ، يجب إجراء العملية عدة مرات لفصل C
60 عن N @ C
60 .
فماذا عن الساعة الذرية؟ في هذه الحالة ، يتم استخدام مولد يقوم بإصدار إشارة لاسلكية يكون ترددها قريبًا من امتصاص الإشارة اللاسلكية بواسطة النيتروجين. تنتقل هذه الإشارة عبر الهوائي إلى الخزان ، حيث توجد جزيئات فوليرين النيتروجين. يمكن أن يكون مسحوق أو محلول. إذا تم ضبط المذبذب بشكل صحيح ، يتم امتصاص إشارة الراديو. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن الإشارة تمر عبر المحلول / المسحوق. باستخدام نظام ضبط خاص مع التغذية المرتدة ، حقق العلماء ضبطًا تلقائيًا للإشارة للمؤشرات المطلوبة. يمكن استخدام كل هذا لإنشاء ساعات ذرية.
الآن المهمة الرئيسية التي يواجهها العلماء هي إنشاء شريحة مصغرة تعتمد على جزيء الفوليرين. سيكون مثل هذا النظام خاليًا من العناصر البصرية التي يشيع استخدامها في الساعات الذرية. كما أن الفراغ غير مطلوب. وستكون هذه الأنظمة مصغرة وموفرة للطاقة. سيكون بإمكانهم أيضًا استبدال المذبذبات البلورية المستخدمة في أجهزة تتبع الوقت الإلكترونية الحديثة.
حل الفوليرين في القارورةوفقًا لمبدعي هذه التقنية ، هناك العديد من الطرق لاستخدامها. يحتاج الجميع إلى ساعات محمولة فائقة الدقة - مبدعو الأجهزة الإلكترونية والجيش والعلماء والأطباء. أما بالنسبة لنظام GPS ، فيمكن التقاط إشارة حتى في الداخل. سيتم تسهيل ذلك عن طريق وضع الساعات الذرية داخل الجهاز الإلكتروني نفسه ، جهاز الاستقبال. سيكون من الصعب جدًا غرق إشارة GPS - الآن أصبح من السهل جدًا القيام بذلك. حتى في حالة تلف شبكة القمر الصناعي جزئيًا (فشل بعض الأقمار الصناعية) ، ستعمل أجهزة استقبال GPS على الأرض مع ساعة ذرية متكاملة.
بالإضافة إلى ذلك ، سيكون من الممكن إنشاء أنظمة مصغرة لتحديد الموقع الجغرافي للمركبات والجمارك والخدمات البريدية. يمكن تتبع الطرود والمعدات دون أي مشاكل ، حتى أثناء مرور هذه الأنظمة عبر الأنفاق.
بالطبع ، لا يزال إنشاء نظام تجاري بعيد المنال - يحتاج العلماء إلى اهتمام الشركات باختراعهم. بالمناسبة ، فوليرين النيتروجين لا يكلف شيئًا على الإطلاق - 266 مليون دولار لكل جرام من المادة. في الواقع ، أصبح الفوليرين الفوقي أغلى مادة على الأرض ، في المرتبة الثانية بعد المادة المضادة (التي لا يمكن تحديدها بأي كميات كبيرة). وفقًا لبعض التقديرات ، سيكلف جرام واحد من المادة المضادة 48 تريليون دولار. ولكن هذا في حالة العثور على طريقة عملية لتخزين المادة المضادة.