علماء روس يطورون مادة إسفنجية لتخزين الغازات
© Photo / © Shutterstock/FOTODOM / as-artmedia
تابعنا عبر
تخيل مادة مليئة بفراغات مجهرية قادرة على احتجاز جزيئات الغاز، تماماً كما تحتفظ الإسفنجة بالماء. ابتكر علماء روس فئة جديدة من المواد المسامية التي تحتوي على ما يصل إلى سبعة معادن مختلفة من العناصر الأرضية النادرة، ما يجعلها أكثر كفاءة في التقاط غاز الميثان وبخار الماء.
يُعد التخزين الفعال للغازات تحدياً مهماً في تكنولوجيا الطاقة، وغالباً ما تعتمد طرق التخزين التقليدية على ضغط الغازات داخل حاويات قوية، وهي عملية تتطلب طاقة ومعدات متخصصة. لذا، يبحث العلماء في بديل آخر: مواد قادرة على احتجاز جزيئات الغاز داخل شبكات من المسام المجهرية.
وقد طور باحثون في جامعة "ميريا" التكنولوجية الروسية (MIREA)، بالتعاون مع جامعة الصداقة بين الشعوب (RUDN) ومعهد "كورتشاتوف"، نوعاً جديداً وواعداً من المواد التي قد تدفع بهذا النهج قدماً، وتُظهر أبحاثهم، أن دمج عدة معادن من العناصر الأرضية النادرة في بنية مسامية واحدة يمكن أن يعزز قدرة المادة على التقاط جزيئات معينة، مع زيادة استقرارها الكيميائي في الوقت ذاته.
كيف تعمل "الإسفنجة الجزيئية"؟
تنتمي هذه المواد الجديدة إلى عائلة تُعرف باسم الأطر المعدنية العضوية (MOFs)، وهي هياكل بلورية تتكون من أيونات معدنية مرتبطة بجزيئات عضوية. ويخلق هذا الترتيب فراغات دقيقة وأسطحاً داخلية يمكن لجزيئات الغاز أن تُحتجز بداخلها.
وعلى عكس الإسفنجة العادية التي تمتص السوائل داخل كتلتها، تعمل هذه المواد بشكل أساسي من خلال عملية الامتزاز (Adsorption)؛ حيث تلتصق الجزيئات بالأسطح الموجودة داخل المسام، وهذا ما يجعل الأطر المعدنية العضوية (MOFs) مرشحة مثالية لتخزين الغازات، والتقاط الرطوبة، وفصل المواد عن بعضها في المخاليط.
لكن كفاءة أدائها تعتمد على تركيبها الكيميائي، وبنية مسامها، وقدرتها على تحمل الظروف البيئية المختلفة، وقد استكشف الباحثون الروس طريقة غير تقليدية لتحسين هذه الخصائص، فبدلاً من بناء الهيكل حول نوع واحد فقط من الأيونات المعدنية، قاموا بدمج خمسة أو ستة أو سبعة عناصر مختلفة من العناصر الأرضية النادرة، بما في ذلك: الساماريوم، واليوروبيوم، والجادولينيوم، والتيربيوم، والديسبروسيوم، والهولميوم، والإربيوم.
تندرج المواد الناتجة ضمن فئة تُعرف بـ "المواد عالية الإنتروبيا"، حيث تشغل عناصر مختلفة مواقع متكافئة داخل البنية البلورية، وتقوم الفكرة على أن دمج عناصر متعددة قد يؤدي إلى خصائص لا يمكن تحقيقها بنفس الكفاءة باستخدام أي عنصر منها على حدة.
ماذا اكتشف الباحثون؟
باستخدام عملية "التصنيع الحراري المائي" (hydrothermal synthesis) وهي عملية تعتمد على تفاعلات كيميائية في مياه ساخنة تحت ظروف مضبوطة،نجح الفريق في إنتاج هياكل متعددة المكونات، وقد احتفظت هذه المواد ببنية بلورية محددة تُعرف باسم (MIL-78)، على الرغم من احتوائها على توليفات مختلفة من عناصر الأتربة النادرة.
وأظهرت المقارنات المخبرية أن هذه الهياكل المعقدة قادرة على امتزاز كميات أكبر من الميثان، وبشكل خاص بخار الماء، مقارنةً بالمواد المماثلة التي تعتمد على معدن واحد فقط، كماأظهرت هذه المواد استقراراً كيميائياً أكبر.
ويعزو الباحثون هذه التحسينات إلى ما يسميه علماء المواد أحياناً "تأثير الكوكتيل" (cocktail effect)؛ حيث يؤدي دمج عناصر مختلفة إلى تغيير الخصائص الكلية للمادة بطرق لا يمكن للعناصر المكونة لها تحقيقها بمفردها.
وأوضحت البروفيسورة غالينا كوزميتشيفا، من جامعة "ميريا" (MIREA)، أن هذا البحث يوسع مفهوم "المواد عالية الإنتروبيا" ليشمل نطاقاً جديداً من الأطر المعدنية العضوية القائمة على عناصر الأتربة النادرة، وتُظهر النتائج أن عدد الأيونات المعدنية واختيارها يمكن أن يشكلا أدوات إضافية للتحكم في سلوك المواد المسامية.
من المختبر إلى التطبيقات العملية
قد تكون القدرة على احتجاز الميثان ذات قيمة في تطوير أنظمة جديدة لتخزين الغاز، بينما يمكن أن تدعم القدرة العالية على امتزاز بخار الماء تطبيقات مثل إزالة الرطوبة والتجفيف الصناعي.
كما يشير الباحثون إلى إمكانية استكشاف استخدامات أخرى في مجالات مثل تنقية المياه، والتحفيز الكيميائي، وتوصيل الأدوية الموجه.
