علماء يابانيون وكوريون جنوبيون يكتشفون بلورات معدنية “تتنفس” الأكسجين | علوم

أعلن فريق بحثي مشترك بين جامعة بوسان الوطنية في كوريا وجامعة هوكايدو في اليابان عن اكتشاف نوعٍ جديد من البلورات المعدنية التي يمكنها إطلاق وامتصاص الأكسجين بشكل متكرر عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا، دون أن تتلف، وكأنها تتنفس.

وبحسب النتائج، التي نشرت في دراسة بدورية “نيتشر كومينيكيشنز”، فإن هذه البلورات، التي تعد تطورًا جذريًا في مجال المواد الذكية المتقدمة، تتكون من أكاسيد معدنية تحتوي على السترونشيوم والحديد والكوبالت.

وعند تسخينها إلى نحو 400 درجة سيليزية، تحت غازات معينة، فإنه تُطلق الأكسجين، وعند تعريضها للأكسجين، تمتصه مرة أخرى، ويستمر هذا التبادل دون انهيار هيكل البلورة.

آلية عمل ذكية

ومع مزيد من الفحص تبين للعلماء أن المسؤول عن تلك الظاهرة هو الكوبالت، وهو العنصر الذي يتغير تأكسده في البلورة، بينما الحديد يظل في حالة مستقرة، مما يوفّر استقرارًا للبنية.

وفي السابق، كانت المواد التي تتحكم في الأكسجين مرصودة ومدروسة، لكنها كانت هشة أو تتطلب درجات حرارة عالية جدًا، مما حدّ من تطبيقها العملي، أما هذا النموذج الجديد فيعد ثابتا تهيكليًا وقابلا للتكرار، أي يمكنه التبادُل الأكسجيني لمرات عديدة ودون تدمير بنيته.

وبحسب الدراسة، فعندما يقل الأكسجين في البلورة، تتغير بنيتها وتصبح من نوع خاص اسمه بيروفسكايت ناقص الأكسجين، وعندما يعود الأكسجين للبلورة، ترجع إلى شكلها الأصلي المعروف باسم براونميلريت، ومن ثم فالبلورة وكأنها “تتنفس”، حيث تفرغ الأكسجين فتتغير بنيتها، ثم تمتصه من جديد فترجع إلى حالتها الأولى.

هذا التغيّر في وجود أو غياب الأكسجين يصنع فراغات صغيرة داخل البلورة، هذه الفراغات تغيّر سلوك البلورة، مثلا تغيّر في الشفافية (قد تصبح أكثر أو أقل شفافية)، وفي نطاق الطاقة، وهو الفارق الذي يحدد كيف تتفاعل المادة مع الضوء والكهرباء.

تطبيقات واسعة

ويعتقد الباحثون، بحسب بيان رسمي من جامعة هوكايدو، أن هذه البلورات يمكن أن تسهم في تطوير خلايا الوقود الصلبة، التي تنتج كهرباء من الهيدروجين بكفاءة عالية.

كما يمكنها أن تمتلك تطبيقات في تطوير النوافذ الذكية، حيث يمكن أن تتغير شفافية الزجاج مع دخول أو خروج الأكسجين من البلورة، ومن ثم نحصل على نافذة تتحكم في مرور الضوء والحرارة حسب الحاجة.

ومثلما يتحكم المهندسون بالكهرباء في الدوائر داخل الحواسيب وبقية الأجهزة الإلكترونية، فإن البلورة المكتشفة تسمح بالتحكم في تدفق الحرارة، وهذا يفتح بابًا لتصميم أجهزة إلكترونية تُدار بالحرارة بدلا من الكهرباء أو معها.

إلى جانب ذلك، يمكن استخدامها مستقبلا في جدران أو مبان “ذكية”، حيث يتحكم المبنى نفسه في الحرارة والضوء بشكل تلقائي، فيوفّر طاقة التكييف والإضاءة.