اكتشف الباحثون تعدد الأشكال الناتج عن ضغط ثاني أكسيد الكبريت الكثيف (dense SO2)، وظاهرة تعدد الأشكال هي أن بعض المواد معروفة بوجودها في العديد من الحالات الصلبة المختلفة هيكلياً.
المثال الأول والأكثر شهرة لظاهرة تعدد الأشكال اكْتُشف في جليد المياه في عام 1984 -بواسطة ميشيما وآخرين-؛ فقد تم تحديد شكلين مختلفين من جليد الماء غير المتبلور (متعدد الأشكال)، والمعروف باسم (الجليد غير المتبلور منخفض الكثافة، والجليد غير المتبلور عالي الكثافة).
لاحقا لوحظتْ ظواهر مماثلة في أنظمة مهمة أخرى، مثل: (Si وSiO2 وGeO2) في فيزياء المادة المكثفة، فتعدد الأشكال ظاهرة مثيرة جدا للاهتمام، ولكنها ظاهرة غير مفهومة تماما.
مؤخرا اختبر فريق من العلماء الصينيين، ومعاونيهم في معمل فيزياء الجوامد (solid state physics)، تعدد الأشكال للمادة الجزيئية لثاني أكسيد الكبريت SO2، وأثناء استكشاف الانتقال بين الحالات -مثلا نقطة التحول من صلب إلى سائل أو من صلب إلى غاز- لثاني أكسيد الكبريت الكثيف، وجدوا تحولا إلى شكل غير متبلور بفعل الضغط في ثاني أكسيد الكبريت الكثيف، وأيضا وجدوا تحولا هيكليًّا ناتجا عن الضغط الانعكاسي بين الأشكال الجزيئية غير المتبلورة والبوليمرات متعددة الأشكال من SO2. وهذا العمل تم نشره في (PNAS) في 4 أبريل لعام 2020.
إن ثاني أكسيد الكبريت SO2 يلعب دورا كبيرا في البحث الكيميائي، وفي فيزياء الأرض والجو، فبينما خصائص أنظمة جزيئية صلبة مماثلة مثل CO2 أو N2 تحت ضغطٍ عالٍ تمت دراستها على نطاق واسع، لا تزال العديد من الأبحاث على ثاني أكسيد الكبريت الكثيف (dense SO2) -وخصوصا خصائصه وسلوكه- تحتاج إلى دراسة.
في هذه الدراسة نظر العلماء بتمعن في هذا الجزيء البسيط عن طريق الجمع بين الجهد التجريبي والحسابي، الذي حاول وصف بعض الظواهر الجديدة وغير المتوقعة باستخدام الطرق التجريبية لأشعّة رامان الطيفية (Raman spectroscopy)، وحيود الأشعّة السينية (X-ray diffraction) تحت ضغطٍ عالٍ، فقد ضغطوا ثاني أكسيد الكبريت حتى 60 GPa (جيجا باسكال) عن طريق خلية سندان الماس (diamond anvil cell)، واستكشفوا المراحل الانتقالية، وأشكال ثاني أكسيد الكبريت في المدى الحراري 77-300 K (درجة كلفن).
عند درجة حرارة K 77، وعند ضغط أقل من 16 GPa ثاني أكسيد الكبريت، تحوّلَ من الشكل البلوري (crystalline) إلى غير المتبلور (amorphous)، وبدأت مرحلة تعدد الشكل الجزيئي، وعند ضغط 26 GPa، حدث انتقال من الحالة الجزيئية غير المتبلورة (ذرتي كبريت متناسقتين) إلى سلسلة من البوليمر متعدد الأشكال (ثلاث ذرات من الكبريت منسقة).
وقد درس الباحثون العديد من المسارات الحرارية المختلفة، ووجدوا أن المرحلة الانتقالية لثاني أكسيد الكبريت الكثيف (dense SO2) وصلت إلى مرحلة التبلور وتعدد الشكل الجزيئي من خلال المدى الحراري من 77-300 K، واكتشفوا -أيضا- أن مسار المرحلة الانتقالية عكسي.
علاوة على ذلك، فإن ضغط التبلور يتغير بتغير درجة الحرارة، من خلال المدى الضغطي 10-16 GPa، وأيضا خلال مدى درجات الحرارة 77-300 K.
ولاختبار ملاحظاتهم استخدم الفريق محاكاة الديناميكا الجزيئية، والانتقال من الحالة الجزيئية غير المتبلورة إلى الحالة البوليمرية متعددة الأشكال في هذا البحث، يعني أنه من الممكن أن يحدث انتقال مماثل في الحالة السائلة.
المصدر :
https://phys.org/news/2020-04-pressure-induced-polyamorphism-dense-sulfur-dioxide.html
