هل يمكن لشريط جرافين نانوي أن يغيّر اتجاه التواءه كما يُلوى المنشفة؟ قدّم باحثون في جامعة ناغويا اليابانية إجابة إيجابية على هذا السؤال. ووفقاً لأحدث عدد من مجلة «نيتشر كوميونيكيشنز»، تمكن باحثو الجامعة للمرة الأولى من تحقيق التبديل عند الطلب لاتجاه التواء شرائط الجرافين النانوية. ويُتوقع أن يوفّر هذا الإنجاز مواد جديدة لتطوير مفاتيح بصرية قابلة للضبط، ومستشعرات كيميائية، وأجهزة إلكترونيات مغزلية.

شرائط الهيليسين النانوية هي بنى سلسلية طويلة تتكوّن من حلقات كربونية متعددة مندمجة، وتمنح هذه البنية الجزيء شكلاً ملتوياً (رسم توضيحي). المصدر: جامعة ناغويا اليابانية.

شريط الجرافين النانوي هو بنية نانوية شريطية ضيقة وطويلة مكوّنة من ذرات الكربون. وعندما يلتوي الشريط النانوي، يتشكّل لديه شكل شبيه بالحلزون، كما تختلف خصائصه البصرية والإلكترونية عند الالتواء نحو اليسار مقارنة بالالتواء نحو اليمين. وكان الباحثون قادرين سابقاً على تصنيع شرائط جرافين نانوية حلزونية، لكن كان من الصعب جعلها تغيّر اتجاه الالتواء حسب الحاجة.

يكمن مفتاح هذا البحث في وحدة رباعية الحلقات من الهيليسين، كانت تُعتبر في السابق «صعبة التحكم». فهذه الوحدات تنتقل بسرعة بين حالتين: يسارية الدوران ويمينية الدوران، ويصعب الحفاظ على اتجاه التواء ثابت لها. لكن عند ربط عدة وحدات معاً، تؤثر الوحدات المتجاورة بعضها في بعض، وتميل إلى الالتواء في الاتجاه نفسه، لتشكّل في النهاية بنية حلزونية أكثر توحّداً.

وعلى هذا الأساس، استخدموا المذيبات للتحكم في اتجاه التواء الشريط النانوي. وبعد اختبار ستة مذيبات مرشحة، تبيّن أن مركّب β-باينين الطبيعي المستخلص من أشجار الصنوبر والحمضيات قادر على أداء هذا الدور.

ينقسم β-باينين إلى شكلين جزيئيين متصاوغين مرآتياً، ويؤدي كل شكل جزيئي إلى التواء الشريط النانوي في اتجاه مختلف. وبعبارة أخرى، يكفي تغيير المذيب للتحكم في ما إذا كان الشريط النانوي يلتوي نحو اليسار أم نحو اليمين.

وعندما يتغيّر اتجاه التواء الشريط النانوي، يتغيّر أيضاً الضوء المنبعث منه، إذ ينتج عن حالتي الالتواء انبعاث ضوئي دائري الاستقطاب باتجاهين مختلفين. وهذا يعني أن التحكم في اتجاه التواء الشريط النانوي يتيح ضبط خصائصه البصرية. ويكون تأثير التبديل هذا أكثر وضوحاً عند درجة حرارة -90 درجة مئوية، ويضعف تدريجياً مع ارتفاع درجة الحرارة إلى درجة حرارة الغرفة.

وقال الباحثون إن هذه هي المرة الأولى التي يتحقق فيها هذا الانبعاث الضوئي الدائري الاستقطاب القابل للتبديل في شرائط الجرافين النانوية. ومن المتوقع أن تُستخدم هذه المادة، القادرة على تغيير اتجاه الالتواء وخصائصها البصرية وفقاً للبيئة الخارجية، في مجالات المفاتيح البصرية والمستشعرات الكيميائية والأجهزة الإلكترونية. ولأن البنية الحلزونية قد تؤثر أيضاً في انتقال الإلكترونات ذات حالات المغزل المختلفة، فمن المتوقع أيضاً استخدامها في أجهزة الإلكترونيات المغزلية.