الفيزياء هي أحد العلوم الأساسية الثلاثة، وهي تتعامل مع بنية المادة والتفاعلات التي تحدث بين المُكونات الأساسية للكون المرئي، وتهتم الفيزياء بكافة جوانب الطبيعة على المستوى الجسيمي والمستوى المرئي، ودراستها تشمل سلوك الكائنات تحت تأثير عواملها الفيزيائية، ومن أهم أهدافها وضع نظريات ومبادئ لشرح الظواهر. ولعلم الفيزياء العديد من الفروع المهمة، ومن أهم فروع الفيزياء فرع فيزياء المواد المكثّفة والذي قد يكون أحد الفروع المستخدمة بكثرةٍ في حياتنا اليومية، فتطبيقات فيزياء المواد المكثفة تملأ الحياة الآن، وأقرب ما يكون لك هو هاتفك الخلوي، أو حاسوبك الشخصي الذي تقرأ منه هذا المقال.1

إذا كنت متشوقًا لمعرفة المزيد عن هذا العلم، تابعنا في السطور التالية.

فيزياء المواد المكثفة

فيزياء المواد المكثّفة هي عبارةٌ عن أحد فروع علم الفيزياء والذي يهتم بدراسة المواد في حالتها الصلبة، وهي تشمل كلًّا من المواد الصلبة البلورية والمواد الصلبة غير البلورية، أما عن المواد الصلبة البلورية فتترتب فيها الذرات في شكل شبكة ثلاثية الأبعاد، ومن أمثلتها الألماس، لكن المواد الصلبة غير البلورية، تترتب فيها الذرات بشكلٍ غير منتظمٍ، وستجد ذلك واضحًا في الزجاج.2

ما الفرق بين فيزياء المواد المكثفة وفروع الفيزياء الأخرى

فيزياء المواد المكثّفة لا تدرس المواد الصغيرة جدًّا مثل الجسيمات دون الذرية، أو المواد الكبيرة جدًا، مثل الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات، ولكنها تدرس الأشياء التي بينهما، فمعظم دراساتها تدور حول الإلكترونات والنواة التي تتفاعل تبعًا لقوانينَ خاصةٍ بالكهرومغناطيسة وميكانيكا الكم.

ما الذي يجعل فيزياء المواد المكثفة مَحط اهتمام لكثيرٍ من الفيزيائيين

وُجد أنّ المجموعات الكبيرة من الإلكترونات والنوى تُظهِر سلوكًا يُسمى السلوك التعاوني وذلك أثناء الحالة المكثفة، وهذا السلوك يختلف عن سلوك الأجزاء المفردة من الإلكترونات أو النوى، ولدراسة ذلك السلوك التعاوني، فإنه يلزم تطوير طرق نظرية جديدة ومتطورة لفهم ذلك السلوك، فعندما نقارن فيزياء المواد المكثّفة مع فيزياء الجسيمات نجد أنها أسهل من حيث إجراء التجارب، كما أنها أكثر دقةً، ولا تستغرق وقتًا طويلًا، لذا فهي الأسهل.

ما أهمية فيزياء المواد المكثفة

استطاع الفيزيائيون تسخير علم فيزياء المواد المكثّفة في حلّ الكثير من المشاكل في مجالاتٍ شتى مثل الاقتصادية وعلوم الحياة وغيرهما، إليك بعض من تطبيقاتِ وأهميات فيزياء المواد المكثفة:3

  • من خلال فيزياء المواد المكثّفة، تمكنَّ الباحثون من صنع رقاقاتٍ من أشباه الموصلات، وقد كانت من أهم الإنجازات في العقود الأخيرة، فأشباه الموصلات هذه تستخدم في الكثير من أساسيات الحياة، مثل تصنيع أجهزة تخزين البيانات، كذلك تستخدم لتشغيل أجهزة الاتصالات السلكية واللاسلكية مثل الهواتف والكاميرات الرقمية، وهي من المواد الأساسية التي تشغل كاميرات الفيديو وأقراص DVD، وأجهزة iPod وiPad وGPS وأجهزة الكمبيوتر الشخصية وغيرها.
  • استطاع الباحثون أن يسخروا فيزياء المواد المكثّفة في صناعة التوربينات النفاثة، ومضارب التنس الحديثة وغيرها.
  • من خلال تطوير فيزياء المواد المكثّفة، استطاع بعض الباحثين تسخيرها في المجال الطبي، إذ أنها تستخدم في مجال التشخيص الطبي، حيث يتم استخدام المغناطيس فائق التوصيل في التصوير المقطعي بالرنين المغناطيسي.
  • لفيزياء المواد المكثفة العديد من التطبيقات التي تستخدم في أجهزة الاستشعار وأشعة الليزر، وفي استكشاف الفضاء الخارجي.
  • تُستخدم في الاتصالات واسعة النطاق، ليست المحدودة فقط.
  • تُستخدم في العمليات الطبية المتنوعة، وفي الكثير من الأجهزة الطبية الضرورية. 4

فيزياء المواد المكثّفة والترانزستور

تعتمد فكرة عمل الترانزستور على فيزياء المواد المكثفة، ففي عام 1958 حاز كلٌّ من ويليام شوكلي وجون باردين ووالتر براتين براءة اختراعٍ لاختراع الترانزستور، والذي يعد اليوم من أهم الأجزاء التي يجب أن تتواجد في الأجهزة الإلكترونية الحديثة.5

ما هي العلاقة بين فيزياء المواد الصلبة وفيزياء المواد المكثّفة

فيزياء المواد الصلبة هي فرعٌ من فيزياء المواد المكثفة، وتشمل فيزياء المواد المكثفة أيضًا الأنظمة الذرية الباردة وتكاثفات بوز- آينشتاين والبوليمرات والغرويات والفيزياء الحيوية.

فيزياء المواد المكثفة ونوبل

كان لفرع فيزياء المواد المكثفة حظٌ وافرٌ في جائزة نوبل، فقد منحت 22 جائزة نوبل في الفيزياء لفيزياء المواد المكثفة والمجالات ذات الصلة بها، ليس في الفيزياء فقط، بل وأيضًا في الكيمياء؛ فقد منحت 5 جوائز نوبل في الكيمياء لموادٍ في فيزياء المواد المكثفة، ففيزياء المواد المكثفة ذات قيمةٍ علميةٍ عاليةٍ، وذلك لارتباطها الوثيق بالصناعة، فهي من أهم أسس معظم التقنيات الحديثة، مثل الطاقة والصناعة وغيرهما، فقد اتجه العديد من الباحثين لهذا الفرع الغزير بالمعلومات والأفكار التي تخدم الصناعة بشكلٍ خاص، والبشرية بشكلٍ عام.

المراجع