خواص شیمیایی عجیب بیسموت دانش ابررساناها را به چالش کشید

بیسموت از عجیب ترین عناصر جدول تناوبی است که تا به امروز شناخته شده است،اما خواص شیمیایی این عنصر از ظاهر آن نیز عجیب تر است، در واقع خواص ابر رسانایی بیسموت همه فرضیه های موجود علمی در مورد خاصیت ابر رسانایی را بر هم زده است!

به گزارش کلیک،طبق آزمایش های اخیری که بر روی این عنصر شیمیایی صورت گرفته مشخص گردید که بیسموت در درجه دمایی خاص و به طور مشخص در دمای -۲۷۳٫۱۵ درجه سلسیوس به یک ابر رسانا تبدیل می شود که در مقابل انتقال جریان الکتریسیته مقاومت آن به صفر مطلق میل می کند.

اما این یافته اخیر دانشمندان دنیای شیمی در واقع باعث سردرگمی های بسیاری شده است،طبق فرضیات و دانش امروزی شیمی دانان در مورد مواد ابر رسانا اولین شرط لازم برای این که یک ماده شیمیایی خواص ابر رسانایی را از خود نشان دهد این است که الکترون های آزاد بسیار زیادی داشته باشد،این در صورتی است که عنصر بیسموت به ازای هر ۱۰۰۰۰۰ اتم تنها یک الکترون آزاد دارد.

آقای سرینیواسان راماکریشنان از موسسه تحقیقات بنیادی تاتا در کشور هند در مصاحبه با نشریه Chemistry World در این باره می گوید:اساسا موادی که خاصیت ابر رسانایی به نمایش می گذارند تقریبا به ازای هر اتم خود یک الکترون آزاد نیز دارند،به هر حال در مورد عنصر بیسموت می دانیم که هر الکترون آزاد با حدود ۱۰۰۰۰۰ اتم به اشتراک گذاشته می شود و به همین دلیل بیسموت تا به حال به عنوان یک عنصر ابر رسانا شناخته نمی شد.

ظرفیت رسانایی یک شاخصه شیمیایی است که در واقع معرف تعداد الکترون های آزاد در واحد حجم می باشد و اکتشاف اخیر دانشمندان در مورد خاصیت ابر رسانایی بیسموت این عنصر را در راس عناصری قرار می دهد که با وجود خاصیت ابررسانایی خود ظرفیت رسانایی خیلی کمی دارند،واضح تر بگوییم،بیسموت موفق شده رکورد ۵۰ ساله ماده تیتانات استرانسیم را بشکند،تیتانات استرانسیم در ۵۰ سال گذشته به عنوان عنصری شناخته می شد که با وجود کمترین ظرفیت رسانایی ممکن خواص ابر رسانایی را دارا بود.

عنصر بیسموت در دمای اتاق فوق العاده در برابر جریان الکتریکی مقاومت می کند،دانشمندان در چند دهه اخیر سعی کرده اند که به کمک تغییر دما وضعیت رسانایی آن را تحت مطالعه قرار دهند،در مورد اکثر فلزات تا به حال مشخص گردیده است که با  کاهش دما در عناصر فلزی خاصیت رسانایی آنها افزایش پیدا می کند اما در مورد بیسموت کاهش دما زیادی برای این امر نیاز است تا باعث ارتقا خاصیت رسانایی الکتریکی آن گردد.

خاصیت ابر رسانایی باعث می شود که عنصر با راندمان ۱۰۰ درصدی الکتریسیته را از خود عبور دهد و اگر دانشمندان موفق شوند تا در دمای اتاق به این خاصیت دست پیدا کنند نحوه استفاده بشر از الکتریسیته برای همیشه متحول خواهد گردید.

مشکل اصلی اینجاست که تا به اینجای کار دانشمندان موفق نشده اند تا خاصیت ابر رسانایی را در دمایی بالاتر از صفر کلوین و یا -۲۷۳ درجه سلسیوس پدید آورند.

آقای راماکریشنان در این باره می گوید:در مورد بیسموت آزمایشاتی که در گذشته بر روی این عنصر شیمیایی انجام گرفته بود نشان می داد که این ماده تا دمای ۰٫۰۱ کلوین نیز خاصیت ابر رسانایی از خود نشان نمی دهد،به همین دلیل دانشمندان از ابر رسانا بودن بیسموت نا امید شده بودند و دقیقا ۲۰ سال پیش مطالعات بر روی خاصیت ابر رسانایی عنصر بیسموت را متوقف کرده بودند.

راماکریشنان و همکارانش تصمیم گرفتند که بار دیگر مطالعات در مورد خاصیت ابر رسانایی بیسموت را از سر بگیرند و موفق شدند تا با رساندن دمای این عنصر به ۰٫۰۰۰۵۳ کلوین شاهد به وجود آمدن خاصیت ابر رسانایی در آن باشند.

محققان در گذشته موفق شده بودند تا خاصیت ابر رسانایی بیسموت را در برخی از حالت های آمورف آن ببینند،اما این حالت فقط و فقط تحت فشار های بالا از بیسموت آمورف دیده شده بود،این اولین بار است که دانشمندان موفق می شوند تا در حالت معمولی عنصر بیسموت خاصیت ابر رسانایی را به وجود آورند و بر خلاف گذشته دیگر نیازی به اعمال فشار هوای زیاد هم وجود ندارد.

البته وجود رفتار ابر رسانایی یک ماده در دمای -۲۷۳ درجه سلسیوس خیلی هم کاربردی به نظر نمی رسد و تمام تلاش دانشمندان این است که بتوانند به نحوی در دمای اتاق این خاصیت را در مواد شیمیایی پدید آورند،اما با در نظر گرفتن خواص منحصر به فرد عنصر بیسموت باور اینکه این ماده در هر دمایی به یک ابر رسانا تبدیل شود برای شیمی دانان دشوار می باشد.

بر اساس نظریه بی سی اس در مورد ابر رسانا ها که در سال ۱۹۷۲ نیز موفق یه دریافت جایزه نوبل فیزیک گردید گفته می شود که شرط لازم برای وجود خاصیت ابر رسانایی در یک ماده این است که در آن الکترون ها به صورت جفت در آمده و بتوانند آزادانه در سطح ماده حرکت داشته باشند.

رآقای راماکریشنان در این باره توضیح می دهد:برای رسانایی الکتریکی لازم است تا اتم های فلزی الکترون های آزادی را در خود داشته باشند که به جای زندانی بودن درون فضای اتم بتوانند آزادانه در ماده تردد داشته باشند،در حالت ابر رسانایی که دانشمندان آن را به واسطه کاهش دمای فوق العاده در مواد ایجاد می کنند،الکترون های آزاد دیگر به دلیل هم جنس بودن بار آنها(بار منفی)همدیگر را دفع نکرده و می توانند تا به صورت جفت الکترون در آیند و دریایی از جفت الکترون های آزاد در سطح ماده باعث می گردد تا ماده بدون هیچگونه مقاومتی جریان الکتریسیته را از خود عبور دهد و تا زمانی که عنصر را در دمای پایین نگه داریم این خاصیت در آن حفظ خواهد شد.

حال سوال اصلی اینجاست که عنصر بیسموت با داشتن یک الکترون آزاد به ازای هر ۱۰۰۰۰۰ اتم چگونه می تواند رفتار ابر رسانایی را از خود نشان دهد؟اگر عنصر بیسموت را از نقطه نظر نظریه بی سی اس نگاه کنیم پیش بینی می شود که تنها با رساندن بیسموت به دمایی هزار برابر سرد تر از مقدار فعلی و یا ۰٫۰۰۰۵۳ کلوین بتوانیم شاهد مشاهده رفتار ابر رسانایی در آن باشیم،گقتنی است که رسیدن به این دما با فناوری امروزی امکان پذیر نمی باشد.

آقای راماکریشنان در این باره افزود:ظرفیت رسانایی عنصر بیسموت به قدری پایین است که نظریه فعلی در مورد ابر رسانا ها و یا نظریه معروف بی سی اس قادر به توضیح چگونگی رفتار ابر رسانایی در آن نیست و باید به دنبال فرضیه های دیگری برای توضیح رفتار ابر رسانایی بیسموت بگردیم.

آقای راماکریشنان و تیم تحقیقاتی اش انتظار ندارند تا به واسطه یافته جدید آنها نظریه بی سی اس به کلی نقض گردد و معتقدند که نظریه بی سی اس نقص هایی دارد که با مطالعات تئوری لازم است تا در آینده اصلاح گردد تا بتواند چگونگی وجود رفتار ابر رسانایی در موادی با ظرفیت رسانایی پایین را نیز توضیح دهد.

 



بدون دیدگاه

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *