حل معمای مولکولی انیشتین؛ دستاوردی بزرگ در علم فیزیک

به گزارش رکنا، پرسشی که سال‌ها ذهن دانشمندان را به چالش کشیده بود، این بود که آیا می‌توان یک سطح را با تنها یک نوع شکل پوشاند، بدون اینکه این شکل‌ها الگوی تکراری بسازند؟ در پژوهشی نوآورانه، محققان موفق شدند مولکول خاصی را روی سطح نقره متبلور کنند، اما نتایجی غیرمنتظره به دست آوردند: الگوهای ایجادشده هرگز تکرار نمی‌شدند! این کشف اتفاقی پاسخی برای معمایی موسوم به معمای انیشتین فراهم کرد، معمایی که ربطی به آلبرت انیشتین ندارد!

در این تحقیق، مولکول‌ها به نحوی کنار هم قرار گرفتند که مثلث‌هایی با اندازه‌های کوچک و بزرگ ایجاد شد، اما این مثلث‌ها هرگز به طور کامل کنار یکدیگر جفت و جور نشدند. این پدیده موجب شد تا طرح‌های کاملاً غیرتکراری شکل بگیرند، درست مثل یک پازل بی‌پایان.

معمای انیشتین چیست؟

معمایی در علم ریاضیات به نام "مساله انیشتین " وجود دارد که برای اولین بار در سال ۲۰۲۲ توسط ریاضیدانی انگلیسی به نام دیوید اسمیت مطرح شد. این مساله پرسشی ساده و در عین حال پیچیده را مطرح می‌کند: آیا می‌توان سطحی را با یک نوع شکل خاص کاشی‌کاری کرد، به طوری که الگوها هرگز تکرار نشوند؟ این سوال به تازگی با مشاهده نتایج بلورهای مولکولی توسط دانشمندان مؤسسه Empa، پاسخ جدیدی پیدا کرده است.

الگوهای غیرتکراری روی سطح نقره

زمانی که یک مولکول خاص به نام t[۴]HB روی سطح نقره بلورینه شد، محققان انتظار داشتند ساختاری مرتب و منظم مشاهده کنند. اما به جای آن، با طرح‌هایی کاملاً غیرمنظم و متفاوت روبه‌رو شدند که پس از بررسی‌های بیشتر مشخص شد، این الگوها شبه‌تصادفی و واقعی هستند، نه حاصل خطای آزمایش.

این مولکول، به دلیل توانایی منحصر به فرد خود در تغییر دست‌سانی (chiral) در دمای اتاق، رفتاری متفاوت از سایر مولکول‌های کایرال دارد و همین موضوع باعث شد که الگوها تکرارشونده نباشند.

راز الگوهای غیرتکراری

مشاهدات دقیق‌تر نشان دادند که چندین عامل در ایجاد این طرح‌های نامنظم نقش دارند:

• چیدمان متنوع مثلث‌ها: مولکول‌ها به شکلی کنار هم قرار گرفتند که مثلث‌هایی با تعداد متفاوتی از مولکول‌ها (۲ تا ۱۵ مولکول در هر ضلع) ایجاد کردند.
• ناهماهنگی ناشی از کایرالیته: مثلث‌های تشکیل‌شده هیچ‌گاه کاملاً منطبق نبودند و همین موضوع موجب جابجایی‌های کوچک در الگو شد.
• حفره‌های کوچک: نقص‌هایی که به طور طبیعی در ساختار ایجاد شدند، ساختاری مارپیچ‌گونه و غیرعادی به بلورها بخشیدند.

پیوند میان انرژی و آنتروپی

این الگوهای غیرتکراری از نظر انرژی بهینه شدند و نقص‌های کوچک در ساختار منجر به چیدمانی پایدارتر و فشرده‌تر شد. اما چرا هر الگویی متفاوت است؟ علت این پدیده را می‌توان در اصل آنتروپی جست‌وجو کرد، که به تغییرات تصادفی و پراکنده‌سازی انرژی در سیستم اشاره دارد.

کاربردهای احتمالی این کشف

این پدیده تنها یک موضوع نظری نیست؛ بلکه می‌تواند مسیرهای جدیدی را در علم باز کند:

• تحقیق در خصوص خواص الکترونی: پیش‌بینی شده است که حرکت الکترون‌ها بر روی چنین سطوح نامتناوب می‌تواند رفتارهایی نوین در فیزیک ایجاد کند.
• علم نانوالکترونیک: این ساختارها می‌توانند پایه‌ای برای طراحی سطوح ویژه با ویژگی‌های الکتریکی منحصربه‌فرد باشند که در تکنولوژی‌های آینده به کار می‌روند.

مراحل بعدی پژوهش

برای کشف دقیق‌تر ویژگی‌های کوانتومی این ساختارها، محققان پیشنهاد می‌دهند که بلورها را تحت میدان‌های مغناطیسی بررسی کنند. این گام می‌تواند ما را به درک عمیق‌تری از پدیده‌های پیچیده مولکولی برساند و فناوری‌های آینده را متحول سازد.