ميكانيكا المواد في الكم

تم تعريف المواد الكمية بشكل غامض على أنها مواد لا تتصرف وفقًا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية؛ حيث تشمل الموصلات الفائقة أو المغناطيسات المعقدة أو المواد الطوبولوجية، يمكن أن تؤدي هذه المواد إلى العديد من التقنيات الجديدة باحتوائها على المكونات الضرورية لجعل كل منها ممكنًا في جهاز حقيقي، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر الأسرع وأجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تتحمل الأخطاء وأجهزة الاستشعار البصرية المحسنة. 

ميكانيكا المواد في الكم

 هي المواد التي تؤدي فيها التأثيرات غير العادية لميكانيكا الكم إلى ظهور خصائص غريبة ومذهلة في كثير من الأحيان؛ يبنما تُظهر جميع المواد خصائص ميكانيكا الكم على مستوى ما، فإن المواد الكمومية تُظهر خصائص فريدة مثل التقلبات الكمية والتشابك الكمي والتماسك الكمي والسلوك الطوبولوجي.

بماذا تهتم ميكانيكا المواد في الكم

يصب التركيز الرئيسي لدراسة ميكانيكا الكم على وصف الديناميكيات المجهرية وفك الترابط والظواهر الجماعية لحالة خاصة للحركة الاهتزازية للمواد المُثارة بصريًا في المواد عند درجة حرارة محدودة؛ لربط التنبؤات كميًا بالتصوير الذري ثلاثي الأبعاد والتحليل الطيفي الكمي وسلوك الجهاز العياني.

شرودنغر في توضيح ميكانيكا المواد في الكم

يقول شرودنغر من خلال تجربته على القطة أن الحالات الكمية لا تدوم بشكل عام إلى الأبد، لكن يمكن أن تكون طويلة الأمد نسبيًا في بعض المواد؛ أي أنه يوجد تراكب لكلتا الحالتين في احتمال أن تكون ميته وحية في نفس الوقت، حيث أن هذا التراكب لا يمكن أن يدوم إلى الأبد في معظم المواد بسبب التفاعلات مع البيئة، ولا يمتد عمومًا لمسافات كبيرة.

ومن غير المحتمل أن يوجد أي شيء مرئي للعين المجردة كتراكب، ولكن نتيجة لميكانيكا الكم يمكن أن يصبح التراكب ذات صلة بمقاييس طول أصغر من مئة نانوميتر، فالمواد الكمومية تكسر هذا الاتجاه، وفي المواد الكمومية يمكن أن يستمر تراكب الحالات هذا لفترة طويلة وعلى مساحات ممتدة.

أبرز المحطات التي تطورت فيها ميكانيكا المواد

•  الميكانيكا الصلبة ومواد والتصنيع: التي عملت على تطوير حلول حسابية وتجريبية جديدة لمشاكل في السلوك الميكانيكي للمواد والعمليات المتقدمة، حيث عملت البحوث في ميكانيكا المواد على تحقيقات في تأثيرات البنية المجهرية على السلوك الميكانيكي وميكانيكا النانو والميكانيكا الحبيبية وميكانيكا الاستمرارية.

• المواد النونية الحاسوبية: حيث يستخدم مجموعة المواد النانوية الحاسوبية طرقًا عديدة لتحويل علم النانو إلى تقنية نانوية، مثل التحسين العددي لوسائط التحويل الأعلى لاستخدامها في الخلايا الشمسية، فالمواد الحاسوبية مصنوعة من مادة نانوية بجسيمات نانوية معدنية تركز على الضوء الوارد.

يتم وضع تحويل ذرات الأرض النادرة في الضوء المركّز وتحويلها من الطول الموجي الطويل إلى الطول الموجي القصير، وبعد ذلك امتصاص الضوء ذي الطول الموجي القصير في الخلية الشمسية، وبالتالي تعزيز كفاءتها.

• تكنولوجيا المواد: إن التطورات في تكنولوجيا المواد مهمة للصناعة ومجتمع الأعمال، وكذلك للمستهلك الفردي؛ تواجه العديد من المنتجات مشاكل مع التآكل أو الصدأ أو الكسر أو غيرها من العيوب التي يمكن تحسينها باستخدام تحليل المواد للكشف عن إمكانية التحسينات الهيكلية، يمكن أن تكون التحسينات أي شيء من تغييرات التصميم البسيطة إلى التغييرات الرئيسية في اختيار المواد.

• عدم الاستقرار المادي: من أجل زيادة موثوقية حسابات مدة الحياة والمتانة والسلوك في ظل الأحمال الشديدة وآليات الفشل، تُستخدم هذه الأدوات الرياضية المحسّنة أيضًا لتحسين التصميمات من خلال تحسين ميزات معينة للشكل وتقليل استخدام المواد.

يمكن أن تؤدي الأدوات إلى تنبؤات بمواد جديدة لها هياكل دقيقة مصممة خصيصًا لتحسين الخواص الميكانيكية أو الضوئية أو الحرارية أو الكهربائية، على وجه الخصوص، يمكن استخدام ميكانيكا الكسر لفهم وتحسين الواجهات بين المواد المختلفة.

• المواد الميكانيكية الخارقة: ينتج عن التفصيل الدقيق للهياكل الدقيقة في صفائح وأطر مرنة رقيقة الهياكل، حيث تكشف غالبًا استجابات غير خطية ومتباينة فعالة جديدة للمحفزات الخارجية، تنتقل هذه التأثيرات الهندسية الجوهرية عبر مقاييس الطول من البنية المجهرية الهندسية إلى الكتلة.

• المواد الناعمة: قد تغير الهياكل اللينة هندستها بشكل كبير وتخضع لتشوهات كبيرة استجابة لمجموعة متنوعة من المحفزات الخارجية مثل الضغط المطبق أو الإجهاد والتورم ودرجة الحرارة والضوء.

سلوكيات المواد في ميكانيكا الكم

سلوك المواد العضوية والمعدنية

 إن فهم أصول سلوكيات هذه المواد هو الخطوة الأولى في القدرة على استغلال هذه المواد في تطبيقات محددة؛ الأطر العضوية المعدنية هي مواد هجينة مسامية تبدأ في شكل بلورات، أو أطر عضوية معدنية، معززة ببنية عضوية إضافية، وهي مطلوبة بشدة في العديد من التطبيقات.

يمكن إنشاء الأطر العضوية المعدنية مع القليل من التأثير السلبي على البيئة، مع ميزات مصممة على نطاق صغير وهياكل محسّنة لتحقيق مجموعة متنوعة من السلوكيات البصرية والكهربائية والمغناطيسية الفريدة؛ ربما يكون أحد أكبر مميزاتها هو مساحات سطحها الامتصاصية الكبيرة، الناتجة عن مساميتها العالية، والتي يمكن استخدامها للتطبيقات في التقاط ثاني أكسيد الكربون وفصله وتخزينه.

العيوب الميكانيكية للأطر العضوية المعدنية

هذه العيوب تمنع استخدامها في تطبيقات احتجاز الكربون وعزله صناعيا كوسيط جيد، لذلك يجب أن تكون الأطر العضوية المعدنية قادرة على تحمل الضغوط العالية التي تنشأ من التدفق المستمر لثاني أكسيد الكربون.

أثناء الاختبار، تبين أن قطع  الأطر العضوية المعدنية تنهار بسهولة تامة؛ لأن الهيكل التي تكون مساميته عالية يجعل الأطر العضوية المعدنية شديدة الحساسية والهشة، كما أن هشاشة الأطر العضوية المعدنية تمنع تشكيلها إلى قطع أكبر.

حلول القصور الميكانيكي في  الأطر العضوية المعدنية

تكمن الحلول في صهر وتكثيف الأطر العضوية المعدنية دون تدمير الهيكل العضوي، حيث توفر للمصممين القدرة على تحديد المسامية التي يرغبون فيها من أجل تحقيق الأداء الميكانيكي المطلوب، وميزتها الرئيسية أنها يمكن تصنيعها في قطع أكبر بأي شكل، وهي كبيرة بما يكفي لمجموعة متنوعة من التطبيقات.

خصائص المواد في ميكانيكا الكم

التشابك الكمي

إن التشابك الكمي يكسر القواعد الأساسية للفيزياء، ولكنه يدعم أيضًا العديد من التقنيات المهمة؛ حيث أن الجسيمات توجد في حالة تراكب حتى يتم ملاحظتها؛ تكون الجسيمات الكمومية المستخدمة كوحدات معلومات كمية في الكمبيوتر الكمي على حد سواء صفر أو واحد في نفس الوقت حتى يتم ملاحظتها.

يحدث التشابك الكمي عندما يتم إنتاج أو تفاعل جسيمين بطريقة لا يمكن وصف الخصائص الرئيسية لتلك الجسيمات بشكل مستقل عن بعضها البعض، على سبيل المثال، إذا تم إنشاء فوتونين وكانا متشابكين، فقد يكون جسيم واحد يدور في اتجاه عقارب الساعة على أحد المحاور، بحيث يكون دوران الجسيم الآخر بالضرورة في عكس اتجاه عقارب الساعة على نفس المحور.

في حد ذاته هذا ليس جذريًا، ولكن نظرًا لأنه يمكن أيضًا وصف الجسيمات في ميكانيكا الكم على أنها وظائف موجية، مثل قياس جسيم متشابكا لتحديد دورانه على طول بعض المحاور وتنهار وظيفة الموجة الخاصة به، فينهار الجسيم الآخر أيضًا لإنتاج خاصية الدوران القابلة للقياس.

التقلبات الكمية

بقياس دالة الاستجابة الخطية مباشرة، مثل القابلية الديناميكية يمكن للمرء أن يفهم خصائص المواد الأساسية؛ ومع ذلك يمكن تقديم منظور جديد من خلال دراسة التقلبات، حيث يمكن أن يكون هذا مرتبطًا بالحساسية الديناميكية من خلال نظرية التذبذب أو التبديد التي تربط التقلبات في نظام ما باستجابته، وهو طريق بديل للوصول إلى فيزياء المادة.

ويتم دراسة هذه التقلبات باستخدام أشعة سينيةمتماسكة وقصيرة النبضات لتوصيف المواد، والتي ستوفر فرصة للكشف عن فيزياء جديدة في المواد الكمومية.

وفي نهاية ذلك فإن المواد الكمية تقدم ارتباطات الكترونية قوية أو نوعًا ما من النظام الإلكتروني، مثل الموصلية الفائقة أو الأوامر المغناطيسية أو المواد التي ترتبط خصائصها الإلكترونية بتأثيرات كمية غير عامة لها فائدة كبيرة في التقنيات الحديثة والعمل على تطويرها.