سحر الضوء الذي حيّر العلماء لعقود

اسمع، لازم أحدثك عن شيء يبدو وكأنه خيال علمي، لكنه يحصل فعلاً في المختبر الآن.

تخيل إنك عندك كوبين ماء فاتر، سكبتهما مع بعض وطلع معك كوب واحد ماء مغلي. مستحيل صحيح؟ كلنا تعلمنا في المدرسة إنك ما تقدر تستخرج طاقة أكثر مما تدخل.

لكن هاك الشي الغريب: على المستوى الكمي، هذا النوع من "السحر" يصير فعلاً. جسيمات ضوء متعددة واطئة الطاقة تقدر تجمع طاقتها وتنتج جسيم واحد طاقته أعلى بكثير.

والأجمل؟ العلماء الآن لقوا طريقة يسووها بمواد صلبة — شيء العلماء يحاولون يحققونه من أكثر من عشر سنين.

ليش نحتاج ضوء الأشعة فوق البنفسجية أصلاً؟

قبل ما ندخل في الجزء الممتع، خلني أجاوب سؤال مهم: مو الأشعة فوق البنفسجية هي اللي تسبب لنا حروق الشمس والتجاعيد؟

أيوه، هي نفسها.

لكن اللي أغلب الناس ما يعرفونه إن هالضوء مفيد جداً للتكنولوجيا. يُستخدم في أنظمة تنقية الهواء لقتل البكتيريا والفيروسات. أطباء الأسنان يستخدمونه لتجفيف حشوات الأسنان بسرعة. طابعات ثلاثية الأبعاد تستخدمه لتصلب المواد. وحتى manicure الجل؟ هالضوء هو اللي يخلي الطلاء يتماسك.

المشكلة؟ الأشعة فوق البنفسجية تشكل فقط حوالي 6% من ضوء الشمس اللي يوصل لسطح الأرض. ومن هالسسبة الصغيرة، بس جزء بسيط مفيد للتكنولوجيا.

فقال العلماء: وش لو قدرنا ننتج أشعة فوق بنفسجية أكثر؟ نحويل الضوء المرئي اللي عيوننا تشوفه — وهو متوفر بكثرة — إلى فوتونات فوق بنفسجية.

خدعة "جمع" الضوء

الباحثين يسمون هالعملية التحويل الطيفي التصاعدي، وفكرتها بسيطة وعظيمة بنفس الوقت: خذ فوتونين من الضوء المرئي، ادمج طاقتهما، وانتج فوتون واحد فوق بنفسجي.

كالعمليات الحسابية اللي لازم تلاقي أرقام معينة تجمعهم — لكن على المستوى الذري.

من سنين، العلماء يعرفون إن هالشي يشتغل زين في السوائل. في السوائل، الجزيئات تتحرك بحرية وتصطدم ببعضها بسهولة، فالعملية تسير على ما يرام.

لكن الأنظمة السائلة عندها مشاكل كبيرة: كثير منها يحتوي مواد سامة، ممكن تتبخر، وتعتبر فوضوية وصعبة الاستخدام عملياً.

اللي العلماء يحتاجونه حقاً هو مادة صلبة تقدر تسوي نفس الحيلة.

وهنا بدأت الصعوبات الحقيقية.

ليش المواد الصلبة كانت كابوس؟

هاك التحدي مع المواد الصلبة: الجزيئات فيها مضغوطة فوق بعضها.

لما الجزيئات تكون قريبة من كذا، سحب الإلكترونات — تخيلها كمناطق ضبابية من الإلكترونات تدور حول كل جزيء — تبدأ تتداخل مع جيرانها.

ولما يصير هالشي؟ الثنائيات الطاقية (اللي نحتاجها لعملية التحويل التصاعدي) "تنطفئ" قبل ما تلتقي بثنائيات ثانية وتدمج لتنتج فوتون فوق بنفسجي مفيد.

تخيل تحاول تسوي محادثة خاصة في حفلة مزدحمة جداً. كل واحد يصطدم بالجميع، والتفاعلات المهمة تصير شبه مستحيلة.

العلماء كانوا يحتاجون جزيئات قريبة بما يكفي تنقل الطاقة بكفاءة، لكن بعيدة بما يكفي تمنع هالتأثير "الإطفائي" اللي يخرب كل شي.

لسنوات، بدا هالمشكلة مستحيلة الحل.

الاختراق اللي ما أحد توقعه

ثم جاء باحثو جامعة كيushu في اليابان بحل ذكي.

بدأوا بمادة شبه موصلة عضوية تسمى DHI (لا تشيل هم الاسم الكامل — طويل) وسووا تعديل بسيط لكن عبقري.

ربطوا "فواصل جزيئية" صغيرة — سلاسل ألكيل — بذرات معينة في الجزيء. هالفواصل خلقت فراغات محسوبة بدقة بين الجزيئات المجاورة.

النتيجة؟ جزيئات تقدر "تتكلم" مع بعض بشكل طبيعي، لكن ما تكون قريبة لدرجة تتعارك.

المادة الجديدة أظهرت:

• توهج قوي (تلمع زين)
• حالات إثارة طويلة العمر (الطاقة تكفي وقت كافي يكون مفيد)
• نقل طاقة فعال جداً
• كفاءة كمية للتألق فوق 60% (ممتازة جداً)

لما قرنوها مع جزيء مانح، النظام حقق كفاءة تحويل تصاعدي 1.9%.

هل هالرقم يبدو واطي لك؟ خلني أوضحلك: أغلب المواد الصلبة ما تقدر تحقق هالشي أصلاً، حتى مع ضوء أقوى بكثير. هالمادة تشتغل بضوء الشمس العادي اليومي.

أربعة عشر سنة من الإصرار

هاك الجزء اللي مسك الحبال في قلبي.

واحد من الباحثين الرئيسيين، البروفيسور نو بوا كيميزوكا، بدأ يستكشف هالموضوع سنة 2012. هدفه ما كان بس يسوي مادة باردة — كان يحاول يؤسس مجال كيميائي جديد حيث الجزيئات ترتب نفسها بنفسها وتؤدي وظائف مفيدة.

اثنا عشر سنة من التقدم المستمر. أنظمة قائمة على المحاليل. أنظمة قائمة على الجل. كل خطوة للأمام كانت خطوة للأمام.

لكن التحويل التصاعدي الفعال في الحالة الصلبة؟ هالشي ظل يكون الغاية المنشودة.

ثم، في مايو 2024، قبل أشهر من تقاعده، كيميزوكا وفريقه أخيراً حققوا الاختراق. الدفع الأخير تضمن طلاب الدراسات العليا ومتعاونين اشتغلوا ساعات مكثفة لجمع كل شيء مع بعض.

في شيء جميل في الاختراق العلمي اللي يجي بعد أكثر من عقد من العمل الصبور والمثابر. يذكرني إن الابتكار الحقيقي مو دايم هو لحظة "يوريكا" — هو الحضور يوم بعد يوم.

إيش ممكن يعنيه هالشي لك أنت؟

الباحثين سجلوا براءة اختراع، يعنيهم الأمر جدregarding التطبيقات العملية.

فكر وش ممكن يتيحه هالشي:

أجهزة تنقية هواء تعمل بالطاقة الشمسية بدون ما تحتاج توصيلها بالكهرباء. بس تركها في ضوء الشمس، وهي تنتج أشعة فوق بنفسجية لتنظف هوائك.

طابعات ثلاثية الأبعاد منخفضة الطاقة تقدر تشتغل في مناطق نائية بدون كهرباء موثوقة.

أنظمة تحفيز ضوئي داخلية تفتت الملوثات باستخدام ضوء النوافذ فقط.

وهالكل من مادة نسبتها سهلة التصنيع وصنعت من مواد أولية غير مكلفة. ما نتكلم عن عناصر أرضية نادرة أو تقنية نانو معقدة هنا.

الصورة الكبيرة

اللي يثير حماسي أكثر من أي تطبيق واحد هو دليل الإمكانية.

لأول مرة، أثبتنا إن المواد الصلبة تقدر تقوم بالتحويل الطيفي التصاعدي بكفاءة تحت ظروف العالم الحقيقي. هالاختراق يفتح أبواب ما كنا نعرف إنها موجودة أصلاً.

كل تقنية نستخدمها اليوم بدأت كتجربة "ممكن تكون مثيرة للاهتمام، بس وشلو تستخدمة عملياً" في مختبر أحدهم.

فلما تجلس كرسي طبيب الأسنان下一次 والحشوة تتصلب، أو تمر جهاز تنقية هواء، أو تشوف شيء يطبع ثلاثي الأبعاد — تذكر إن في مكان ما، عالم قضی أربعة عشر سنة يحاول يجمع شيئين واطئي الطاقة ويصنع منهم شيء أقوى.

أحياناً السحر ما هو سحر أصلاً. هو بس علم صبور بشكل لا يصدق.