<![CDATA[
نشأته وتعليمه
نشأ رونالد إ. كوهين في الولايات المتحدة، وأظهر شغفًا مبكرًا بالعلوم والرياضيات. حصل على درجة البكالوريوس في الفيزياء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في عام 1979. ثم التحق بجامعة كاليفورنيا، بيركلي، حيث حصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء عام 1985. كانت أطروحته للدكتوراه تركز على دراسة الخصائص الإلكترونية للمواد الصلبة باستخدام طرق الحساب الكمي.
مسيرته المهنية
بعد حصوله على درجة الدكتوراه، انضم كوهين إلى مختبر الجيوفيزياء التابع لمؤسسة كارنيغي للعلوم كزميل ما بعد الدكتوراه. وفي عام 1987، أصبح عضوًا في هيئة التدريس في المختبر، حيث يعمل حتى يومنا هذا كعالم بارز. خلال مسيرته المهنية الطويلة والمثمرة، قاد كوهين العديد من المشاريع البحثية الهامة، ونشر مئات المقالات العلمية في المجلات المرموقة. وقد ساهم بشكل كبير في تطوير طرق الحساب الكمي وتطبيقها على دراسة المواد تحت الضغط الشديد.
أبحاثه وإسهاماته العلمية
تركز أبحاث رونالد إ. كوهين على دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد تحت الظروف القاسية، مثل الضغط العالي ودرجات الحرارة المرتفعة. يستخدم كوهين طرق الحساب الكمي، مثل نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، لمحاكاة سلوك المواد على المستوى الذري والجزيئي. وقد طور العديد من الخوارزميات والبرامج الحاسوبية التي تسمح بإجراء حسابات دقيقة وفعالة للمواد المعقدة.
تشمل بعض أبرز إسهامات كوهين العلمية ما يلي:
- تطوير طرق جديدة للحساب الكمي: ساهم كوهين في تطوير طرق أكثر دقة وفعالية للحساب الكمي، مما سمح بدراسة مواد أكثر تعقيدًا.
- دراسة المواد تحت الضغط الشديد: أجرى كوهين أبحاثًا رائدة في دراسة سلوك المواد تحت الضغط الشديد، وهو أمر مهم لفهم التركيب الداخلي للكواكب.
- اكتشاف مواد جديدة ذات خصائص فريدة: ساعدت أبحاث كوهين في اكتشاف مواد جديدة ذات خصائص فريدة، مثل الموصلية الفائقة.
- تطبيقات الحوسبة عالية الأداء في علم المواد: استخدم كوهين الحوسبة عالية الأداء لدراسة المواد المعقدة، مما أدى إلى اكتشافات جديدة.
أمثلة محددة لأبحاثه:
درس كوهين الخصائص الفيزيائية والكيميائية لأكاسيد المعادن تحت الضغط الشديد، وهي مكونات رئيسية في الوشاح السفلي للأرض. وقد ساهمت أبحاثه في فهم العمليات الديناميكية الحرارية التي تحدث في أعماق الأرض.
كما درس كوهين سلوك الجليد تحت الضغط الشديد، وهو أمر مهم لفهم التركيب الداخلي للكواكب الجليدية مثل أورانوس ونبتون. وقد اكتشف أطوارًا جديدة من الجليد ذات خصائص فريدة.
بالإضافة إلى ذلك، قام كوهين بتطوير طرق جديدة للتنبؤ بخصائص المواد الموصلة الفائقة. وقد ساهمت أبحاثه في البحث عن مواد جديدة يمكن أن توصل الكهرباء بدون مقاومة في درجة حرارة الغرفة.
الجوائز والتكريمات
تقديراً لإسهاماته العلمية المتميزة، حصل رونالد إ. كوهين على العديد من الجوائز والتكريمات، بما في ذلك:
- زميل في الجمعية الفيزيائية الأمريكية.
- جائزة جيمس ماكلويدي من مؤسسة كارنيغي للعلوم.
- عضو في الأكاديمية الوطنية للعلوم.
تأثيره على المجتمع العلمي
يُعتبر رونالد إ. كوهين شخصية مؤثرة في المجتمع العلمي، وقد ألهم العديد من الباحثين والطلاب. وقد ساهمت أبحاثه في تطوير فهمنا للمواد وتطبيقاتها، ولها تأثير كبير على مجالات مثل علم الأرض وعلوم المواد والهندسة.
بالإضافة إلى أبحاثه، يشارك كوهين بنشاط في تعليم وتدريب الجيل القادم من العلماء. يشرف على الطلاب والباحثين ما بعد الدكتوراه، وينظم ورش عمل ومؤتمرات علمية. وهو معروف بقدرته على التواصل بفعالية مع العلماء من مختلف التخصصات، وتعزيز التعاون بين الباحثين.
كما يشارك كوهين في أنشطة التوعية العامة، ويسعى إلى شرح أهمية العلوم للجمهور. يلقي محاضرات عامة، ويكتب مقالات شعبية، ويشارك في المعارض العلمية. وهو يعتقد أن العلوم يجب أن تكون في متناول الجميع، وأن فهم العلوم يمكن أن يساعد الناس على اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن القضايا الهامة.
نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)
نظرية الكثافة الوظيفية (Density Functional Theory, DFT) هي طريقة ميكانيكية كمومية تستخدم في الفيزياء والكيمياء لحساب التركيب الإلكتروني (وبالتالي خصائص) الأنظمة متعددة الجسيمات، وخاصة الذرات والجزيئات والمواد المكثفة. مع نظرية الكثافة الوظيفية، يمكن تحديد خصائص النظام الأرضي باستخدام دالة للكثافة الإلكترونية فقط. لهذا السبب تسمى DFT نظرية الكثافة الوظيفية.
مبادئ DFT الأساسية:
- نظرية هوهنبرج-كون الأولى: تنص على أن جميع خصائص الحالة الأرضية للنظام تحددها كثافة الإلكترون الأرضية بشكل فريد. بمعنى آخر، إذا كنت تعرف كثافة الإلكترون الأرضية، فيمكنك من حيث المبدأ تحديد كل شيء آخر حول النظام، مثل الطاقة، والبنية، وكل الخصائص الأخرى.
- نظرية هوهنبرج-كون الثانية: تحدد أن الطاقة الأرضية هي الأدنى المطلق للطاقة الوظيفية. هذا يعني أنه يمكنك حساب الطاقة عن طريق تغيير الكثافة حتى تجد الكثافة التي تقلل الطاقة الوظيفية. هذه هي كثافة الإلكترون الأرضية.
تطبيقات DFT:
تستخدم DFT على نطاق واسع في مجالات متنوعة:
- علوم المواد: حساب خصائص المواد مثل الطاقة الشريطية، والبنية البلورية، والتوصيل الكهربائي.
- الكيمياء: دراسة الهياكل الجزيئية، وطاقات الترابط، والتفاعلات الكيميائية.
- الفيزياء: التحقيق في الخصائص الإلكترونية للمواد الصلبة، والأنظمة النانوية، والأسطح.
- علم الأرض: محاكاة المواد الموجودة في أعماق الأرض تحت ضغط ودرجة حرارة شديدين.
الحوسبة عالية الأداء (HPC) في علم المواد
تلعب الحوسبة عالية الأداء (High-Performance Computing, HPC) دورًا حاسمًا في علم المواد، مما يمكّن الباحثين من محاكاة ودراسة المواد المعقدة على نطاق لم يكن ممكنًا من قبل. يشير HPC إلى استخدام أنظمة الكمبيوتر الفائقة وقدرات الحوسبة المتوازية لحل المشكلات الحسابية المتقدمة. في علم المواد، تستخدم HPC لمحاكاة سلوك المواد على المستوى الذري والجزيئي، والتنبؤ بخصائصها، وتصميم مواد جديدة بخصائص محددة.
تطبيقات HPC في علم المواد:
- محاكاة الديناميكيات الجزيئية (Molecular Dynamics Simulations): HPC تمكن العلماء من إجراء محاكاة للديناميكيات الجزيئية على نطاقات زمنية ومكانية واسعة، مما يسمح لهم بدراسة سلوك الذرات والجزيئات بمرور الوقت. هذا مفيد بشكل خاص لدراسة العمليات الديناميكية مثل انتشار الذرات، والتحولات الطورية، والتفاعلات الكيميائية.
- الحسابات الكمية: تستخدم HPC على نطاق واسع لإجراء حسابات الكم، مثل نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) وطرق كيمياء الكم، لحساب الخصائص الإلكترونية والذرية للمواد. يمكن أن توفر هذه الحسابات رؤى قيمة حول هيكل الترابط، والتفاعلات الكيميائية، وخصائص المواد.
- النمذجة متعددة المقاييس (Multiscale Modeling): HPC تسهل النمذجة متعددة المقاييس، والتي تتضمن دمج طرق المحاكاة المختلفة على نطاقات طول وزمن مختلفة لنمذجة سلوك المواد من المقاييس الذرية إلى المقاييس العيانية. هذا النهج ضروري لفهم الظواهر المعقدة مثل الفشل الميكانيكي، والتشوه البلاستيكي، ونمو الحبوب.
- اكتشاف المواد (Materials Discovery): يمكن لـ HPC تسريع اكتشاف المواد عن طريق فحص مجموعات كبيرة من المواد المحتملة والتنبؤ بخصائصها باستخدام المحاكاة الحاسوبية. يمكن أن يقلل هذا من الحاجة إلى تجارب باهظة الثمن وتستغرق وقتًا طويلاً، مما يسمح للباحثين بتحديد مواد جديدة بخصائص محددة لتطبيقات مختلفة.
خاتمة
رونالد إ. كوهين هو عالم متميز في مجال فيزياء المواد المكثفة، وقد ساهمت أبحاثه بشكل كبير في فهمنا لخصائص المواد تحت الظروف القاسية. من خلال تطوير طرق الحساب الكمي واستخدام الحوسبة عالية الأداء، تمكن كوهين من دراسة المواد المعقدة واكتشاف مواد جديدة ذات خصائص فريدة. إن التزامه بالتعليم والتوعية العامة يجعله قدوة للعلماء في جميع أنحاء العالم.