التوصيلية الفائقة في الطبقة الثنائية الملتوية من WSe₂: منافس جديد للجرافين؟

مادة فائقة توصيل جديدة

التوصيلية الفائقة هي ظاهرة، إذا تم إتقانها على نطاق واسع وبتكلفة منخفضة، ستحدث ثورة في الحضارة البشرية. ذلك لأن معظم التطبيقات التقنية العالية تتطلب مستويات من الطاقة أو المجال المغناطيسي لا يمكن التعامل معها إلا بمواد فائقة التوصيل، حيث أي مقاومة كهربائية تؤدي إلى ارتفاع مفرط في الحرارة.

كانت المشكلة طويلة الأمد هي أن جميع المواد الفائقة التوصيل المعروفة تقريبًا متاحة فقط عند درجات حرارة منخفضة للغاية، غالبًا في محيط 4°K (أي 4 درجات فوق الصفر المطلق).

هذا يجعل التوصيلية الفائقة قابلة للتطبيق فقط عندما تُدمج مع الهيليوم السائل، وهو سائل تبريد يصعب إنتاجه عبر عملية شديدة الاستهلاك للطاقة.

لفترة طويلة، كان يُنظر إلى الجرافين، وهو طبقة أحادية ثنائية الأبعاد من الكربون، كمرشح جيد لتحقيق توصيلية فائقة أكثر عملية.

ومع ذلك، يبدو أن ما يجعل الجرافين واعدًا يمكن توسيعه إلى مواد أخرى مثل التنجستن، مما يفتح المجال للبحث عن مادة فائقة توصيل جديدة. هذا الاكتشاف هو نتيجة عمل باحثين في جامعة كولومبيا، وجامعة تينيسي، والمعهد الوطني للمواد (اليابان). نشروا نتائجهم في مجلة Nature المرموقة¹ تحت عنوان “Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2”.

وعود التوصيلية الفائقة

مواد فائقة التوصيل الأرخص والأعلى حرارة ستغير تمامًا التطبيقات الممكنة لهذه التقنية. سيسمح ذلك باستخدام طرق تبريد مثل النيتروجين السائل، أو حتى تقنية التبريد المستخدمة في المجمدات التي تخزن لقاحات mRNA، لتحل محل البدائل الأكثر استهلاكًا للطاقة.

من بين الأشياء التي ستمكنها الموصلات الفائقة ذات الحرارة الأعلى يمكن ذكرها:

• تحسين أجهزة الرنين المغناطيسي (MRI)، بدقة أعلى وتكلفة بناء وتشغيل أقل، مما يجعلها فحصًا طبيًا أكثر روتينية.
• أنظمة دفع كهرومغناطيسية (المعروفة أيضًا بـ محركات الماغنطوهيدروديناميكية (MHD)) التي تدفع السفن عبر مياه البحر المملوءة بالكهرباء.
• محركات كهربائية أكثر قوة وكفاءة .
• بطاريات ذات كثافة أعلى وأمان أكبر باستخدام تخزين الطاقة المغناطيسية الفائقة (SMES).
• محددات، مفاتيح، وصمامات فائقة التوصيل لتحسين بنية شبكة الكهرباء.
• نقل الطاقة لمسافات طويلة دون خسائر، مما قد يعزز كفاءة الطاقة المتجددة، على سبيل المثال، باستخدام ألواح شمسية لا تزال في الشمس لتزويد مدينة على بعد آلاف الكيلومترات بالطاقة.
• قطارات مغناطيسية (maglev) أرخص وأسهل صيانة أو في المستقبل أنظمة الهايبرلوب.
• أجهزة استشعار/مقاييس مغناطيسية (أجهزة التداخل الكمومي الفائقة – SQUIDS) للتطبيق في البيئات الصناعية.
• الحوسبة الكمومية الفائقة
  • (يمكنك قراءة المزيد عن تقدم الحوسبة الكمومية في مقالتنا “The Current State of Quantum Computing”).
• تطبيقات الدفاع والفضاء، بما في ذلك دروع الإشعاع، الإطلاقات الكهرومغناطيسية، المحامل المغناطيسية، المستشعرات، المدافع الكهرومغناطيسية، المدافع الحلزونية، الليزر، وغيرها من أسلحة الطاقة.

هناك احتمال أن التوصيلية الفائقة ذات الحرارة العالية يمكن تحقيقها باستخدام الرصاص الأبيتي المستبدل بالنحاس (CSLA)، لكن هذا الادعاء لا يزال موضع نقاش حاد بين العلماء المتخصصين في هذا المجال، بعد بضع سنوات.

التوصيلية الفائقة للجرافين

بينما يُعد الجرافين موصلًا كهربائيًا فعالًا بشكل ملحوظ عندما يكون في طبقة بسيطة، يمكن أن يصبح موصلًا فائقًا عندما يُشكل كـ “طبقة مزدوجة ملتوية”. يحدث ذلك عندما تكون الطبقتان غير محاذيتين قليلًا، بفارق 1.1°، وهو ما يُعرف بزاوية السحر للجرافين.

في نوفمبر 2024، تم إثبات رياضيًا أن هذه الطبقة المزدوجة يمكن أن تظل فائقة التوصيل عند درجات حرارة تصل إلى 60°K (-213°C / -351 °F).

منذ عام 2020، تم الاشتباه في مادة أخرى بأنها قد تظهر خاصية مماثلة: التنجستن-السيلينيوم (WSe₂).

المصدر: Max Planck Institute

التوصيلية الفائقة للتنجستن السيلينيوم

حتى الآن، تم اكتشاف ظواهر مرتبطة بالتوصيلية الفائقة في العديد من المواد التي تنتمي إلى ما يُعرف بفئة ثنائيات الكلوريد المعدني الانتقالي (TMDs).

مع ذلك، تؤكد الأبحاث الجديدة وجود توصيلية فائقة في طبقة مزدوجة ملتوية بزاوية 5.0° (زاوية الاختلاف بين الطبقتين، ليست درجة حرارة).

كان هذا واضحًا بشكل خاص عند درجات حرارة منخفضة في التجربة (426 ملي كلفن)، لكنه يثبت أن توصيلية الطبقة المزدوجة يمكن أن تتحقق بمواد طبقية أخرى غير الجرافين.

كما أظهر WSe2 الملتوي طبقة مزدوجة حدًا حادًا بين الطور الفائق والطور المغناطيسي عند درجات حرارة منخفضة، مما قد يفسر الآليات الكامنة وراء سبب كونه موصلًا فائقًا.

أفضل من الجرافين؟

إذا كانت مواد TMD يمكن أن تكون فائقة التوصيل، فقد تكون في الواقع متفوقة على الجرافين.

السبب هو أن مواد TMD تظهر أيضًا العديد من الخصائص المرغوبة التي يفتقر إليها الجرافين، مثل فجوة نطاقية أصلية، ربط قوي للسبين مع المدار، قفل الفاللي للسبين، والمغنطة.

في هذا الصدد، يبدو أن هذا مشابه لنوع آخر من المواد المتقدمة، مواد الكاغوم التي تُظهر أيضًا توصيلية فائقة مع المغنطة، بينما عادةً ما تكون الظاهرتان غير متزامنتين.

بشكل عام، يبدو أن مجال التوصيلية الفائقة يحقق تقدمًا سريعًا ويقضي على الافتراضات السابقة حول ما هو ممكن وما هو غير ممكن.

شركة التنجستن

إذا ثبت أن الطبقات المزدوجة من التنجستن فائقة التوصيل، فسيكون ذلك حالة استخدام إضافية مهمة للمعدن الصلب للغاية، الذي يُستَخدم بالفعل في العديد من التطبيقات العسكرية، وصناعة أشباه الموصلات، والتصنيع المتقدم.

غطينا حالة الاستثمار في التنجستن بالتفصيل في تقرير أكتوبر 2024 “Tungsten – The Secret High-Tech Metal”.

منذ ذلك الحين، أعلنت الصين عن قيود على تصدير التنجستن، وهو معدن ينتج 80% منه في الصين. وهذا يترك عددًا قليلًا من الشركات القادرة على تزويد الصناعات الغربية، بغض النظر عن سلسلة الإمداد الصينية.

Almonty Industries

Almonty هي شركة تعدين التنجستن تنتج حاليًا معظم إنتاجها من منجم في البرتغال، يعمل منذ 125 سنة.

تعمل الشركة على توسيع المنجم البرتغالي وتمتلك رواسب غير مطورة في إسبانيا.

المصدر: Almonty

أهم مشروع للشركة هو التطوير المستمر لمنجم جديد في سانغدونغ، كوريا الجنوبية. يحتوي المنجم على موارد مستنتجة أكثر من جميع رواسبها الأخرى مجتمعة.

المصدر: Almonty

كواحدة من القلائل من شركات تعدين التنجستن النشطة والمنتجة في الدول الغربية، تُعد Almonty موردًا استراتيجيًا رئيسيًا لصناعة الدفاع. لذا فهي شركة مهمة لتقليل الاعتماد على الإمداد الصيني.

موقع منجم سانغدونغ يجعله موردًا مثاليًا لصناعة الدفاع، مع كون كوريا الجنوبية عملاقًا جديدًا في إنتاج المعدات العسكرية “منخفضة التقنية” مثل الدبابات، المدفعية، والذخيرة (مقارنةً بالطائرات المقاتلة، حاملات الطائرات التي تتطلب تنجستن أقل).

بينما تستعد الصين لفتح منجم تنجستن ضخم في كازاخستان، تستعد Almonty لـ “تغيير كبير في السياسة المتعلقة بتأمين التنجستن” عندما يبدأ مشروع Almonty Korea Tungsten في سانغدونغ العمل خلال بضعة أشهر. عندما يبدأ الإنتاج، سيكون أحد أكبر مناجم التنجستن في العالم، يمثل 30% من الإمداد غير الصيني.

Lewis Black, المدير، الرئيس التنفيذي لشركة Almonty Industries

من المتوقع أن تبدأ Almonty في إنتاج التنجستن من المنجم الكوري في أوائل إلى منتصف عام 2025.

نظرًا لموقعها الاستراتيجي كالمورد الضخم الوحيد تقريبًا في الغرب، عُرض على Almonty سعرًا مضمونًا من Plansee. Plansee هي شركة تصنيع معادن عالية الأداء وإحدى أكبر عملاء Almonty، بالإضافة إلى مالك 15% من الشركة.

كان الحد الأدنى للسعر المضمون 235 دولارًا للطن المتري (MTU)، دون حد أعلى. وبما أن منجم سانغدونغ يهدف إلى تكلفة نقدية تبلغ 110 دولارات للطن المتري، فإن ذلك سيضمن هوامش ربح عالية للمشروع.

مع توقيت شبه مثالي بين افتتاح سانغدونغ القريب وحرب تجارية جديدة بين أمريكا تحت قيادة ترامب والصين، ارتفع سعر السهم بشكل قوي بنسبة 40% خلال يومين فقط بعد إعلان قيود تصدير التنجستن من الصين.

مرجع الدراسة:

^{1. Guo, Y., Pack, J., Swann, J. et al. (2025) Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2. Nature 637, 839–845. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08381-1}