متاهات معقدة بشكل لا يصدق تم اكتشافها في بنية بلورات غريبة

تبين أن الخوارزمية المصممة للعثور على المسار الأكثر كفاءة من ذرة إلى ذرة في نوع غريب من البلورات تنتج متاهات معقدة بشكل لا يصدق. وبالإضافة إلى صنع المتاهات، يمكن لهذه التقنية أن تساعد في تسريع بعض التفاعلات الكيميائية الصناعية.

تسمى البلورات المعنية بأشباه البلورات لأنه على الرغم من أن ذراتها مرتبة في أشكال متكررة مثل البلورة العادية، إلا أنها تعرض أشكالًا أكثر تعقيدًا وغير متوقعة من التماثل. تم تصنيع مثل هذه البلورات في المختبر، بل وتم إنشاؤها بواسطة التفجير الأول لسلاح نووي في عام 1945، ولكن تم العثور على مصدر طبيعي واحد فقط: نيزك اكتشف في روسيا في عام 1985.

“تحتوي أشباه البلورات على كل هذه التماثلات التي لا يمكن أن توجد فيها [normal] يقول فيليكس فليكر من جامعة بريستول بالمملكة المتحدة: “إن البلورات، وهي شيء رائع نوعًا ما”. “إنه مجال جميل جدًا من الرياضيات، ولكنه مجال يمكن للناس فيه تقدير جماله بشكل مباشر، دون الحاجة بالضرورة إلى معرفة التفاصيل.”

قام فليكر وزملاؤه بتطوير خوارزمية لإنشاء مسار سريعًا يلامس كل ذرة في شبه البلورة مرة واحدة، ومرة ​​واحدة فقط. تشكل الرسوم البيانية لهذه الطرق هياكل جميلة تشبه المتاهة.

إن إنشاء مثل هذا المسار هو ما يُعرف باسم مشكلة NP-Complete في علوم الكمبيوتر، وهي مشكلة تصبح أكثر تعقيدًا بشكل كبير مع زيادة عدد الذرات. يمكن أن تصبح هذه المشكلات مستحيلة فعليًا حسابها على نطاقات واسعة، لكن الباحثين وجدوا أن المشكلة بسيطة بشكل غير متوقع بالنسبة لبعض أشباه البلورات.

يقول فليكر: “كان ذلك مفاجئًا للغاية، لأنه من المعروف أن هذه المشكلة بشكل عام مستحيلة الحل، ولا يبدو أن هناك أي تبسيط واضح توفره هذه البلورات شبه، لأنها لا تحتوي على تماثلات انتقالية”.

يقول فليكر إن القدرة على تطوير مثل هذا المسار يمكن أن يكون لها تطبيقات عملية في طريقة مخبرية تُعرف باسم الفحص المجهري النفقي، حيث يتم توجيه طرف حاد للغاية فوق مادة لاستشعار الذرات واحدة تلو الأخرى وبناء صورة على المستوى الذري . قد يستغرق إنشاء بعض الصور المعقدة، مثل صور أشباه البلورات نفسها، ما يصل إلى شهر؛ ولكن إذا أمكن العثور على طريق أكثر كفاءة يستوعب كل ذرة، فمن الممكن تقليص ذلك إلى النصف، كما يقول فليكر.

ويعتقد أيضًا أنه يمكن استخدامها لإنشاء محفزات بلورية للعمليات الكيميائية الصناعية التي تكون أكثر كفاءة من الطرق الحالية، وبالتالي تسريع أو تقليل تكاليف صنع مركبات معينة. لكن فليكر يعتقد أن الاستخدامات الأخرى يمكن أن تصبح واضحة بمرور الوقت: “نأمل أن تكون التطبيقات الأكثر إثارة للاهتمام هي الأشياء التي لم نفكر فيها بعد”.