وكالات – كتابات :
نشر موقع (ساينس دايلي) تقريرًا نشرته بالأساس جامعة “مينيسوتا” الأميركية، يُسلِّط الضوء على اختراع باحثين في الجامعة لمعدن جديد يُستخدم باعتباره محفزًا لتسريع التفاعلات الكيمائية.
ويبدأ التقرير بالإشارة إلى أن فريقًا من الباحثين في مجال الطاقة بقيادة جامعة “مينيسوتا توين سيتيز” ابتكر جهازًا رائدًا يحول معدنًا إلكترونيًا إلى معدن يؤدي وظيفة آخرى، من أجل استخدامه “محفزًا” لتسريع التفاعلات الكيميائية، لافتًا إلى أن الجهاز المُصنَّع، المُسمى: “المكثف الحّفاز”، هو أول جهاز استطاع أن يُظهر أن المواد البديلة التي تُعدّل إلكترونيًا لتوفير خصائص جديدة؛ يمكن أن تصنع مُنتج مُعالج كيميائيًا أسرع وأكثر كفاءة.
معدن الحرباء: آفاق جديدة..
وأوضح التقرير أن الاختراع الجديد يفتح الباب أمام: “تقنيات تحفيزية” جديدة تستخدم محفزات معدنية: “من المعادن غير الثمينة”، لتطبيقات مهمة، مثل تخزين الطاقة المتجددة، وصنع الوقود المتجدد، وتصنيع المواد المستدامة.
ونُشر البحث على الإنترنت في مجلة (JACS Au)، المجلة الرائدة للوصول المفتوح لـ”الجمعية الكيميائية الأميركية”، بوصفه من اختيار المحرر. ويعمل فريق الباحثين أيضًا مع مكتب تسويق التكنولوجيا بجامعة “مينيسوتا” ولديه براءة اختراع مؤقتة على الجهاز.
وأشار التقرير إلى أن المعالجة الكيميائية في القرن الماضي؛ اعتمدت على استخدام مواد محددة لتعزيز تصنيع المواد الكيميائية والمواد التي نستخدمها في حياتنا اليومية، منوهًا إلى أن العديد من هذه المواد، مثل المعادن الثمينة: “الرُّوثينيوم، والبلاتين، والروديوم، والبلاديوم”، لها “خصائص سطح” إلكترونية فريدة. ويمكن أن تعمل بمثابة معادن وأكاسيد معدنية؛ الأمر الذي يجعلها حاسمة للتحكم في التفاعلات الكيميائية.
وربما لا يكون الأشخاص العاديون أكثر دراية بهذا المفهوم فيما يتعلق بارتفاع حوادث سرقات “المحولات الحفازة”؛ في السيارات المتطورة؛ والذي يعود إلى كون هذه المُحولات ذات قيمة عالية بسبب وجود معادن: “الروديوم والبلاديوم” بداخلها، إذ يُعد معدن “البلاديوم” أغلى ثمنًا من “الذهب”، وغالبًا ما يكون هناك نقص في المعروض من هذه المواد باهظة الثمن حول العالم، ما أصبح عائقًا رئيسًا أمام تقدم التكنولوجيا؛ بحسب التقرير.
ومن أجل تطوير هذه الطريقة لضبط الخصائص التحفيزية للمواد البديلة، اعتمد الباحثون على معرفتهم بكيفية عمل الإلكترونات على الأسطح. واختبر الفريق بنجاح نظرية مفادها أن: “إضافة الإلكترونات وإزالتها” إلى مادة ما؛ يمكن أن يحول أكسيد “المعدن الفلزي” إلى شيء يُحاكي خصائص مادة أخرى.
وبحسب تقرير (ساينس دايلي)؛ قال “بول دوينهاور”، زميل مؤسسة (ماك آرثر) وأستاذ الهندسة الكيميائية وعلوم المواد في جامعة “مينيسوتا”؛ الذي قاد فريق البحث: “يفتح هذا الاختراع فرصة جديدة تمامًا للتحكم في معالجة المواد الكيمائية، وجعل المواد الوفيرة تعمل مثل المواد الثمينة”.
ويستخدم جهاز “المكثف الحفاز” مجموعة من الطبقات النانومترية لتحريك الإلكترونات، وتثبيتها على سطح المحفز. ويتميز هذا التصميم بآلية فريدة للجمع بين المعادن وأكاسيد المعادن مع الجرافين لتمكين تدفق سريع للإلكترون مع أسطح قابلة للضبط من أجل الاستخدام الكيميائي.
قدرة فاقت التوقعات !
وبحسب التقرير؛ فقد قال “تزيا مينغ أون”، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة “مينيسوتا”؛ الذي صنع واختبر المكثفات الحفازة، أنه: “باستخدام تقنيات الطبقات الرقيقة المختلفة، قمنا بدمج طبقة (نانوية) من الألومينا المصنوعة من معدن الألومنيوم الوفير منخفض التكلفة مع الجرافين، والذي تمكنّا بعد ذلك من ضبطه لاتخاذ خصائص المواد الأخرى”، موضحًا أن: “القدرة الكبيرة على ضبط الخصائص التحفيزية والإلكترونية للمحفز فاقت توقعاتنا”.
وأضاف التقرير أن تصميم: “المكثف الحفاز” يتميز بفائدة كبيرة بوصفه جهاز يمكن أن يكون أساسًا لمجموعة من تطبيقات التصنيع. ويأتي هذا التنوع من تصنيعه بمستوى دقيق (النانومتر)؛ الذي يشتمل على الجرافين باعتباره عنصر توصيل للطبقة السطحية النشطة. إن قدرة الجهاز على تثبيت الإلكترونات قابلة للضبط بتكوين طبقة داخلية متغيرة وعازلة بقوة. ويمكن أيضًا أن تتضمن الطبقة النشطة للجهاز أي مادة محفزة أساسية مع إضافات أخرى، والتي يمكن ضبطها بعد ذلك لتحقيق خصائص المواد الحفازة باهظة الثمن.
بدوره؛ قال “دان فريسبي”، الأستاذ ورئيس قسم الهندسة الكيميائية وعلوم المواد بجامعة “مينيسوتا” وعضو فريق البحث: “نحن ننظر إلى (المكثف الحفاز) على أنه تقنية قاعدية؛ (أي أساس لمنتجات أخرى)، يمكن تنفيذها عبر مجموعة من تطبيقات التصنيع. ويمكن تعديل رؤى التصميم الأساسية والمكونات الجديدة إلى أية معالجة كيميائية تقريبًا يمكننا تخيلها”.
ويُخطط الفريق لمواصلة أبحاثه حول المكثفات الحفازة من خلال تطبيقها على المعادن الثمينة من أجل حل بعض أهم مشاكل الاستدامة والمشاكل البيئة. وتُنفذ – بدعم مالي من “وزارة الطاقة” الأميركية و”مؤسسة العلوم الوطنية” – العديد من المشاريع الموازية لتخزين الكهرباء المتجددة، وتصنيع الجزيئات الرئيسة في المواد البلاستيكية المتجددة، وتنظيف مجاري النفايات.
وفي الختام؛ يُلفت التقرير إلى أن الاختراع التجريبي للمكثف الحفاز يُعَد جزءًا من مهمة أكبر لـ”وزارة الطاقة” الأميركية، وقد مُوّل هذا العمل من جانب برنامج تحفيز علوم الطاقة الأساسية التابع لـ”وزارة الطاقة” الأميركية عبر المنحة رقم: (# DE-SC0021163). ووُفِّر دعم إضافي لتصنيع أجهزة المكثف الحفاز من خلال برنامج (CBET-Catalysis)؛ التابع لـ”مؤسسة العلوم الوطنية” الأميركية منحة رقم: (# 1937641)؛ وبرنامج: (MRSEC DMR-2011401). وكذلك وُفِّر التمويل من جانب المانحين: “كيث” و”إيمي ستيفا”. ونفذت أعمال الفحص المجهري الإلكتروني في مرفق التشخيص بجامعة “مينيسوتا”.