علم المواد: المَسَامِيّة في بلورة مُفرَدة

<div dir="rtl" style="text-align: right;" trbidi="on"><b>يمكن استخدام اكتشاف جسيمات نانوية شبه موصلة بأكسيد المعادن في صنع أجهزة خلايا شمسية عالية الكفاءة بواسطة عمليات منخفضة التكلفة. وقد جذب هذا الأمر جهودًا بحثية هائلة حول العالم^1,². وأحد التحديات الأساسية هو صنع أشباه موصلات لها مساحة سطح كبيرة، لكنها في الوقت ذاته تحافظ على نقل جيد التكلفة. تمتلك الجسيمات النانوية مساحات سطح كبيرة، إلا أنه يتولَّد عند استخدامها في المواد المركبة اللازمة للجيل الثالث من الخلايا الشمسية عدد كبير من الواجهات بين الجسيمات؛ وكلما كثرت الواجهات، كبرت عوائق نقل الإلكترون عبر شبكة الجسيم النانوي، وقلَّت كفاءة الجهاز. وكان كروسلاند وزملاؤه³ قد نشروا مؤخرًا بمجلة «نيتشر» أن تلك المشكلة يمكن حلها إذا استبدلت الشبكة ببلورة مسامية مفردة من شبه الموصل.</b><br /><b>تمتلك البلورات المسامية النانوية المفردة (MSCs) المثلى شبكة ذرية منظمة، تتشكل حول فجوات، يتراوح حجمها بين عشرات ومئات النانومترات. وقد أحرزت حتى الآن طرق إعداد المواد المسامية النانوية ـ خصوصًا أشباه الموصلات ـ تجميعات مسامية من بلورات نانوية المقياس. وعلى نقيض ذلك.. تنتج تقنية كروسلاند وزملائه بلورات مسامية نانوية مفردة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂)، يصل حجمها إلى ميكرومتر واحد، بمساحات سطح كبيرة، نظرًا إلى مساميتها العالية.</b><br /><b>وهذا مهم بالنسبة إلى تطبيقات الخلايا الشمسية، لأن مساحة السطح الكبيرة للبلورة المسامية النانوية المفردة تُعظِّم احتمالية توليد إلكترونات حرة، ويعني الحجم الكبير للبلورة أن الإلكترونات التي تنتقل عبر بلورة مسامية نانوية مفردة قائمة على طبقة نشطة (مِصْعد ضوئي) من الخلية الشمسية ستعبُر ما بين واجهتين إلى خمس واجهات فقط. وبالمقارنة، ينتقل الإلكترون عبر مصعد ضوئي يحوي 20 جسيمًا بحجم 20 نانومترًا للجسيم، قد تضطر إلى عبور حوالي 50 واجهة. ولذلك.. ففرص توليد الإلكترون لتيار مفيد تكون أكبر في نظام البلورات المسامية النانوية المفردة.</b><br /><b>ويكمن مفتاح النجاح لطريقة كروسلاند وزملائه في السيطرة الصارمة على عملية التَنْوية (تشكيل متموضع محليًّا من بلورات دقيقة تعمل كـ«بذور» لعمليات التبلّر) ونمو البلورات. أعد كروسلاند وزملاؤه بنية قالب تركيب «تقريبي» من صفائف متراصة من خرَزَات السيليكا، ثم عالجوها برباعي كلوريد التيتانيوم؛ لزرعها مع أنوية⁴ ثاني أكسيد التيتانيوم. وتم تعريض القالب بعد ذلك إلى محلول رباعي فلوريد التيتانيوم، باستخدام وصفة مؤكدة⁵ لتوليف ثاني أكسيد التيتانيوم في شكله البلوري الأناتاسي (anatase). يُزال القالب في النهاية باستخدام عملية خرط انتقائية، لتترك خلفها بلورات مسامية من ثاني أكسيد التيتانيوم (الشكل1). وقد نُظمت شبكات المسام بالبلورات وترابطت، وتم حساب حجم الفجوات من خلال حجم الخرزات بالقالب التقريبي.</b><br /><div class="largeImg" id="fig589"> <b><img alt="<p><b>الشكل 1 | بلورات مفردة نانوية المسام.</b> يعرض هذا الشكل التوضيحي الدقيق بعض البلورات المسامية النانوية المفردة (MSCs) لثاني أكسيد التيتانيوم^{<a href="#ref3">3</a>}، الذي يمكن أن يتيح تطبيقات بمجال الإلكترونيات البصرية (الضوئية). ويمثل شريط المقياس 5 ميكرومترات.</p>" height="483" src="http://arabicedition.nature.com/large/589.jpg" width="640" /></b> <figcaption id="figcaption" style="width: 500px;"><a href="http://www.blogger.com/blogger.g?blogID=7080182682816192337"> </a></figcaption> </div><b>يعمل هذا المنهج ـ بشكل حاسم ـ عند درجات حرارة منخفضة: أقصى درجة حرارة لازمة هي 500 درجة مئوية، مع الأخذ في الاعتبار أن الخطوات الرئيسة تستلزم 210 درجة مئوية على الأكثر. وينبغي أن يسمح هذا للبلورات بأن تتكامل إلى ركائز لدنة، ويختزل التأثير البيئي وتكاليف إنتاج المادة.</b><br /><b>أنجز المؤلفون أيضًا تحليلاً تفصيليًّا لعمليتهم التوليفية لدراسة تأثيرات كثافة البذر، ودرجة الحرارة، وحجم كرات السيليكا على كلٍّ من حجم وتَشَكُّل البلورات الناتجة³. وقد وفَّر كروسلاند وزملاؤه أيضًا التوضيح الأول للخواص الإلكترونية للبلورات المسامية النانوية المفردة لثاني أكسيد التيتانيوم في شكله الأناتاسي، ولخواص الجهد الضوئي (photovoltaic)، وهي قدرة البلورات على تحويل الضوء إلى طاقة كهربية. وبرغم أن هذه النتائج أولية، فقد أظهر المؤلفون أن البلورات المسامية النانوية المفردة تدعم نقل الإلكترون، وتتميز بحركيات إلكترونية أعلى من شبكات الجسيمات النانوية. </b><br /><b>ربما تعمل الأسطح الداخلية للبلورات المسامية النانوية المفردة كمراكز تشتيت للإلكترون، وبالتالي تُعقِّد انتقال الإلكترون. وقد يُظهر مزيد من الاستقصاء كيفية تأثير المسامية على ذلك الانتقال. وإذا أمكن استكشاف الجوانب الهندسية لقوالب مختلفة (بعمل قوالب بوليمرات مُجمَّعة ذاتيًّا مثلاً) كما ألمح المؤلفون، فمن الممكن التوصل إلى مساحة السطح المثلى، ونقل حامل الشحنة بشكل مستقل.</b><br /><b>ومن التطورات المثيرة المتوقَّعَة ـ التي يُحتمل أن تتلو دراسة كروسلاند وزملائه ـ استكشاف أساليب الضبط الدقيق للإلكترونيات، والخواص البصرية لبلورات ثاني أكسيد التيتانيوم المسامية النانوية المفردة. وفي كلتا الحالتين سيكون من المفيد إحلال ذرات الأكسجين بالشبكة البلورية للذرات الأخرى، أو طلاء الأسطح الداخلية بطبقات (معدنية) ملائمة. وإحدى الفوائد المباشرة لإضافة عناصر أخرى إلى البلورات المسامية النانوية الأناتاسية المفردة لثاني أكسيد التيتانيوم أنّ من الممكن تعديل خواص الامتصاص الضوئي للبلورات، لتسمح للمادة بالاستجابة للضوء المرئي، بدلًا من الضوء فوق البنفسجي. ولهذا آثارٌ واضحة للجهد الضوئي والتطبيقات المحفزة لجسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية.</b><br /><b>وقد أظهر كروسلاند وزملاؤه أن بلوراتهم المسامية النانوية المفردة قد تقترن بالمواد الحاصدة للضوء (تعرف بالحساسات الضوئية) لتصنع خلايا ضوئية، بحيث تُحضّر كل المكونات عند درجات حرارة أقل من 150 مئوية. وتحقق تلك الخلايا كفاءة غير مسبوقة لتحويل الضوء إلى طاقة كهربية تبلغ 7.2%، وكان ذلك أيضًا جزئيًّا نتيجة للاستخدام المتقن للحساسات الضوئية المتقدمة⁶. كان أداء الخلايا أفضل بطريقة ملحوظة من أداء الأنظمة القائمة على الجسيمات النانوية التي تعالج عند درجات حرارة منخفضة مشابهة.</b><br /><b>لقد مكَّن تطوير عمليات المعالجة منخفضة الحرارة لصناعة الأجهزة الكهروضوئية بالفعل من بناء أدوات شفافة ومرنة وقابلة للحمل، كالهواتف الذكية، والحواسيب اللوحية، وسوف ييسر إنجازات متقدمة مهمة أخرى. وطوَّر العلماء خلايا شمسية يمكنها أن تتكامل في نسيج الأبنية. وتحتاج تلك الأجهزة إلى أن تكون فعالة، وخفيفة، وغير بارزة، ومستقلة، وسهلة الصيانة، ويسيرة الدمج بالعناصر المعمارية الموجودة. ربما تكون البلورات المسامية النانوية الأناتاسية المفردة لثاني أكسيد التيتانيوم عناصر مثالية لتلك الخلايا. </b><br /><b>ويتيح لنا كذلك التوليف الناجح للبلورات المسامية النانوية المفردة لثاني أكسيد التيتانيوم تخمين كيفية استخدامها في تطبيقات الحصاد الضوئي. وتتبقى أسئلة أساسية للإجابة عنها: كيف تنتظم الأسطح المقعرة الداخلية للبلورات؟ وما هي عيوب المادة المترتبة على الهندسة (الشكل والإحداثيات) غير الاعتيادية للبلورات؟ وهل تؤثر تلك الهندسة على كيميائية ثاني أكسيد التيتانيوم ـ خاصة استجابته الكيميائية للضوء ـ بطرق تُحسِّن كفاءة المادة لتطبيقات أخرى، كإنتاج الهيدروجين وتحلل سُمِّيَّات وملوثات البيئة؟ إذا أُمكن الارتقاء بأسلوب كروسلاند وزملائه التوليفي، لتلبية المتطلبات المنشودة؛ فسوف تكون أهمية وتأثيرات البلورات المسامية النانوية المفردة لثاني أكسيد التيتانيوم عظيمتين. </b></div>

علم المواد: المَسَامِيّة في بلورة مُفرَدة

يمكن استخدام اكتشاف جسيمات نانوية شبه موصلة بأكسيد المعادن في صنع أجهزة خلايا شمسية عالية الكفاءة بواسطة عمليات منخفضة التكلفة. وقد جذب هذ...

مزيد من المعلومات »