العلماء يعيدون إحياء خدعة الكيمياء القديمة لهندسة الجيل التالي من الزجاج

ساعدت استراتيجية صناعة الزجاج التي تعود إلى قرون مضت الباحثين على إطلاق طرق جديدة لتصميم نظارات الهياكل المعدنية العضوية المستقبلية ذات التطبيقات الواعدة في تخزين الغاز والمواد المتقدمة.

طبق العلماء مفهومًا كيميائيًا عمره قرون لتحسين فئة جديدة من الزجاج مصنوعة من أطر معدنية عضوية (الأطر العضوية المعدنية)، مواد مبنية من ذرات معدنية مرتبطة بجزيئات عضوية. يمكن لهذه النظارات احتجاز الغازات مثل ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين ويمكنها أيضًا امتصاص الماء.

فريق البحث الدولي، الذي ضم علماء من جامعة TU دورتموند و جامعة برمنجهام، نشرت النتائج التي توصلت إليها في كيمياء الطبيعة. تظهر الدراسة أنه يمكن تعديل زجاج MOF وهندسته باستخدام طرق مشابهة لتلك المستخدمة في الزجاج التقليدي.

ووجد الباحثون أن إضافة مركبات صغيرة تحتوي على الصوديوم أو الليثيوم يغير بنية المادة وخصائصها. تعمل هذه الإضافات على تقليل درجة الحرارة التي يصبح عندها الزجاج طريًا وتحسين مدى سهولة تدفقه عند تسخينه، مما قد يؤدي إلى تبسيط عملية التصنيع.

تضع النتائج استراتيجية جديدة لتصميم نظارات MOF مخصصة للتقنيات المتقدمة. وتشمل الاستخدامات المحتملة فصل الغاز وتخزين المواد الكيميائية والطلاءات المتخصصة.

خفض درجات حرارة المعالجة

وقال الدكتور دومينيك كوبيكي من جامعة برمنغهام: “لقد كان الزجاج جزءًا من الحضارة الإنسانية منذ آلاف السنين. فمن بلاد ما بين النهرين القديمة إلى كابلات الألياف الضوئية الحديثة، فإن الكميات الصغيرة من المعدلات الكيميائية تجعل من السهل معالجة الزجاج وتغيير خصائصه الوظيفية.

“ومع ذلك، فإن زجاج الهياكل المعدنية العضوية يلين فقط عند درجات حرارة عالية – أعلى من 300 درجة مئوية (572 درجة فهرنهايت) – قريبة من درجة حرارة تحللها، مما يجعل التصنيع صعبًا ويحد من الاستخدام على نطاق أوسع. يفتح هذا الاكتشاف إمكانيات جديدة للمواد عالية الأداء في المستقبل.”

أحد نظارات MOF الأكثر شهرة هو ZIF-62، وهي مادة مسامية يمكن صهرها وتبريدها إلى زجاج مع الحفاظ على بعض مساميتها الداخلية. هذه الخاصية تجعلها واعدة لفصل الغاز، والأغشية، والحفز الكيميائي.

وقال البروفيسور سيباستيان هينكي من جامعة TU دورتموند: “نهجنا مستوحى من كيفية تعديل زجاج السيليكات التقليدية: تعطيل بنية الشبكة لضبط سلوك الذوبان والخواص الميكانيكية.

“تظهر دراستنا أنه يمكن نقل نفس المبدأ إلى النظارات الهجينة المعدنية العضوية. وهذا التقدم يجعل نظارات MOF تقترب خطوة من التصنيع والتطبيقات في العالم الحقيقي في فصل الغاز، والتخزين، والتحفيز، وما بعده.”

الكشف عن الهيكل الزجاجي

لفهم كيفية تغيير إضافات الصوديوم للبنية الداخلية للزجاج، استخدم الباحثون طرق توصيف متقدمة.

علماء في جامعة برمنجهام، بقيادة د. أجرى دومينيك كوبيكي وبنجامين جالانت دراسات على المستوى الذري للمادة المعدلة. أجرى الفريق أيضًا تجارب التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) للحالة الصلبة ذات درجة الحرارة العالية في مرفق الرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة عالية المجال في المملكة المتحدة.

وأظهرت هذه التجارب كيف يتم دمج أيونات الصوديوم في الشبكة الزجاجية وتعطيل اتصالاتها.

استخدم فريق آخر من برمنغهام، بقيادة البروفيسور أندرو موريس والدكتور ماريو أونجكيكو، النمذجة الحسابية المعتمدة على الذكاء الاصطناعي لتحليل بيانات الرنين المغناطيسي النووي المعقدة. كشفت عمليات المحاكاة بمساعدة التعلم الآلي عن كيفية تفاعل الصوديوم مع البنية الزجاجية وأكدت النتائج التجريبية.

وأظهرت النتائج المجمعة أن الصوديوم يفعل أكثر من مجرد احتلال المساحات الفارغة داخل المادة. ويمكن أن يحل محل بعض ذرات الزنك، مما يؤدي إلى إرخاء البنية قليلاً وتغيير سلوك المادة.

ويقول الباحثون إن هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتحسين استقرار هذه النظارات، والتنبؤ بخصائصها بشكل أفضل، وتقييم مدى جودة أدائها في التقنيات العملية.

المرجع: “نظارات إطار إيميدازوليت زيوليتية معدلة بالأيونات القلوية” بقلم باسكال كولودزيسكي، بنيامين إم جالانت، لينارد ريختر، ماريو أنطونيو ت. أونجكيكو، كارلو فرانكي، ألكسندر كوستكا، وين لونج شيويه، تشينموي داس، جان بنديكت فايس، إيلينا كولودزيسكي، توماس كريس، جريجور كيسليش، تونج لي وأندرو ج. موريس ودومينيك كوبيكي وسيباستيان هينكي، 4 مايو 2026، كيمياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41557-026-02115-8

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.