روش جدید ژاپنی: کشف فازهای پنهان مواد با اشعه ایکس – حتی داده‌های قدیمی!

یک شیوهٔ نوین برای شناسایی آرایش بلوری مواد چندفازی

یک گروه تحقیقاتی مشترک به رهبری یوکی کوبو و شیجی تسونه‌یوکی از دانشگاه توکیو، موفق به ابداع یک متد محاسباتی نوآورانه شده‌اند که می‌تواند با تأثیر گذاری بالایی، آرایش‌های بلوری در مواد چند فازی را مشخص کند. این دسته از مواد، شامل پودرهایی هستند که بیش از یک نوع نظم بلوری را در خود جای داده‌اند. این روشِ جدید توانایی دارد که مستقیماً از روی الگوهای پراش اشعه ایکس پودر، ساختار بلوری را پیش‌بینی کند؛ الگوهایی که در نتیجهٔ عبور اشعه‌های ایکس از بلورهایی در اندازه‌های مشابه با ذرات قهوه فوری حاصل می‌شوند.

برخلاف روش‌های مرسوم، این رویکرد نیازی به استفاده از ثوابت شبکه‌ای ندارد و می‌تواند حتی بر روی داده‌های تجربی موجود که پیش‌تر قابلیت تحلیل نداشتند، اعمال شود. بنابراین، این متد نوظهور یک ابزار ارزشمند برای کشف فازهای جدید مواد و توسعه مواد تازه به شمار می‌رود. یافته‌های این پژوهش در نشریهٔ شیمی‌فیزیک به چاپ رسیده‌است.

اهمیت پی بردن به ساختار بلوری

بسیاری از مواد می‌توانند چندین ساختار بلوری، یا به اصطلاح “فاز”، را حتی در حالت جامد از خود نشان دهند. رمزگشایی از ساختارهای بلوری زیربنایی مواد، برای درک ویژگی‌های آن‌ها و طراحی استراتژی‌هایی برای ابداع مواد نوین، امری حیاتی تلقی می‌شود. به هر حال، شیوه‌های محاسباتی معمول از “ثوابت شبکه‌ای” استفاده می‌کنند که یک ویژگی مختص به بلور مورد مطالعه است. به عبارت دیگر، این روش‌ها برای تعیین ساختار، نیازمند اطلاعات قبلی در مورد بلور هستند.

همین موضوع باعث می‌شود که داده‌های تجربی موجود، زمانی که ثوابت شبکه‌ای با دقت مشخص نشده باشد، به سختی قابل تحلیل باشند. در نتیجه، ممکن است ساختارهای بلوری ناشناخته در میان داده‌های فعلی پنهان شده‌باشند. در واقعیت، ساختارهای بلوری از تنوع بسیار زیادی برخوردارند.

آشکارسازی اسرار پنهان طبیعت با روش‌های جدید

کوبو، نویسنده اصلی مقاله، می‌گوید: “آن‌ها یکی از عمیق‌ترین رازهای طبیعت به شمار می‌روند.” او اضافه می‌کند: “ما تصور می‌کردیم که به نحوی می‌توانیم نگاهی به ژرفای این رازها داشته باشیم، با توسعهٔ روش خود برای تعیین ساختارهای نامعلوم بلوری.” روش‌های معمول از تکنیک‌های متنوعی بهره می‌برند و هزینه‌های محاسباتی بالایی دارند. به همین دلیل، محققان تصمیم گرفتند روشی را توسعه دهند که قادر باشد پیش‌بینی‌ها را مستقیماً بر اساس داده‌های تجربی انجام دهد.

آن‌ها مدل خود را بر پایهٔ مکانیک مولکولی بنا کردند و حرکت اتم‌ها را با محاسبهٔ نیروهای میان اتم‌ها شبیه‌سازی نمودند. سپس با افزودن داده‌های تجربی پراش پرتو ایکس، هماهنگی بین داده‌های تجربی و شبیه‌سازی‌ها را بهبود بخشیدند. کوبو می‌گوید: “ما باور نداشتیم که این روش تا این حد نتیجه‌بخش باشد.” او ادامه می‌دهد: “زمانی که محاسبات آزمایشی را اجرا کردیم و مشاهده کردیم این روش به‌طور قابل توجهی بهتر از آن چیزی که انتظار داشتیم عمل کرد، شگفت‌زده شدیم.”

محققان با به‌کارگیری این متد بر روی مواد پرکاربرد، کارآمدی آن را تأیید کردند. این روش به‌طور موفقیت‌آمیزی توانست ساختارهای بلوری مجزای کربن (گرافیت و الماس) و دی‌اکسید سیلیکون (کوارتز کم، کریستوبالیت کم و کوئزیت) را بازسازی کند. این روش نتایج مطلوبی را به همراه داشت. با این وجود، کوبو به فکر گام‌های بعدی متعددی است. او بیان می‌کند: “هدف ما این است که این روش را بر روی داده‌های پراش پودری که به دلیل ناموفق بودن در تعیین ساختار، بدون استفاده باقی مانده‌اند، اعمال کنیم تا فازهای نوین مواد را کشف نماییم. علاوه بر این، هدف ما توسعهٔ روش‌هایی است که تجربیات و شبیه‌سازی‌ها را با هم ادغام کنند تا نه تنها ساختارهای بلوری، بلکه ساختارهای سطوح و مرزها را نیز شناسایی کنیم.”