اكتشف علماء من جامعة بنسلفانيا (Penn State) سبعة أنواع جديدة من المواد الخزفية المتقدمة من خلال خطوة بسيطة لكنها غير متوقعة: إزالة الأكسجين أثناء عملية التصنيع. هذا الابتكار المدهش قد يفتح الباب أمام تطوير مواد كانت تُعد سابقاً بعيدة المنال، وخاصة في مجالات تخزين الطاقة والإلكترونيات والطلاءات الواقية.

مواد خزفية متقدمة من خلال تقليل الأكسجين

أظهر الفريق البحثي أنّ تقليل كمية الأكسجين داخل فرن الأنبوب أثناء التصنيع يسمح بتثبيت عناصر معدنية مثل الحديد والمنغنيز داخل بنية السيراميك، وهي عناصر لا تستقر عادة في الظروف الطبيعية.

وأوضح الباحث الرئيسي سعيد المشعل، الأستاذ الباحث في جامعة بنسلفانيا، أنّ التحكم الدقيق في مستويات الأكسجين مكّن الفريق من إنتاج سبعة أكاسيد خزفية عالية الانتروبيا (HEOs)، وهي مواد تتكوّن من خمسة معادن أو أكثر وتتميز بخصائص فريدة.

وقد نُشرت نتائج الدراسة في مجلة Nature Communications.

الذكاء الاصطناعي يفتح الباب أمام المزيد من المواد

بدأ المشعل بتثبيت مركب أولي يحتوي على المنغنيز والحديد عبر التحكم بمستويات الأكسجين، وبعد ذلك استعان بأدوات التعلم الآلي، القادرة على تحليل آلاف التركيبات المعدنية خلال ثوانٍ، ليحدد ستة تراكيب إضافية يمكن أن تُكوّن مواد مستقرة من نوع HEO.

شارك في هذا العمل عدد من طلبة الجامعة الذين ساعدوا في تصنيع العينات وتحليلها، بدعم من قسم علوم وهندسة المواد ومركز Nanoscale Science التابع لمؤسسة NSF الأمريكية.

الأساس الديناميكي الحراري لتثبيت المواد

يعتمد تثبيت هذه المواد، وفقاً للمشعل على "إجبار" ذرات الحديد والمنغنيز على البقاء في حالة أكسدة +2، المعروفة باسم البنية الملحية (Rock Salt Structure)، حيث ترتبط كل ذرة بذرتين فقط من الأكسجين.

في الظروف الطبيعية، ترتبط هذه الذرات بمزيد من الأكسجين مما يدفعها إلى حالة أكسدة أعلى، فتفقد المادة استقرارها. أما عبر خفض كمية الأكسجين في الفرن، فقد تمكن الباحثون من منع هذا الارتباط الزائد والحفاظ على البنية المستقرة.

التحقق من النتائج

للتأكد من استقرار المواد الجديدة، تعاون الفريق مع باحثين من جامعة فرجينيا تك (Virginia Tech) لإجراء تصوير متقدم يعتمد على امتصاص الأشعة السينية، ما مكّنهم من تحديد حالات الأكسدة والتأكد من ثبات الحديد والمنغنيز في البنية المطلوبة.

خطوات البحث المستقبلية

يتجه الفريق الآن إلى اختبار الخصائص المغناطيسية للمواد الجديدة، كما يخططون لتطبيق إطارهم الديناميكي الحراري في تصنيع مواد أخرى تُعد اليوم صعبة أو مستحيلة التكوين.

كما تلقّى الطالب المشارك في البحث ماثيو فيرست دعوة لتقديم النتائج في المؤتمر السنوي لمجتمع السيراميك الأمريكي ACerS، وهو شرف عادة ما يُمنح لأعضاء هيئة التدريس أو طلاب الدراسات العليا.