A multi-scale study to unravel the dehydration mechanism of hydrated salts

ليست بلورات الملح مجرد صخور ساكنة، بل هي هياكل ديناميكية يمكنها "التنفس"، حيث تحتفظ بجزيئات الماء داخل شبكتها البلورية ذاتها. في عالم الكيمياء، تُعرف هذه المواد بالأملاح المائية، وهي مركبات يكون فيها الماء مكوناً أساسياً مدمجاً في البلورة نفسها، وليس مجرد سائل محبوس في مسامها. إن هذه القدرة على امتصاص وإطلاق الماء هي آلية طبيعية قوية؛ فعندما تمتص هذه الأملاح الرطوبة، فإنها تطلق حرارة، وعندما تجف، فإنها تمتصها. تجعل هذه الدورة من هذه الأملاح مرشحة واعدة لتخزين الطاقة الحرارية، مما قد يسمح بالتقاط دفء الشمس خلال النهار لتدفئة المنازل ليلاً. ومع ذلك، لكي تعمل هذه التكنولوجيا بشكل موثوق على مدى سنوات عديدة، يجب على العلماء فهم كيفية فقدان هذه البلورات لماءها بدقة؛ فإذا كانت العملية تسبب تلفاً في الهيكل البلوري أو تجعل إعادة ترطيبه مستحيلة، فإن المادة تفشل. لعقود من الزمن، راقب الباحثون هذه البلورات وهي تجف من الخارج، وقاسوا مقدار فقدان الوزن بمرور الوقت، لكن القصة الداخلية لكيفية هروب الماء بالفعل ظلت خفية.

لقد تمكن فريق من الباحثين في جامعة أمستردام الآن من كشف طبقات هذا الغموض من خلال دراسة ملح شائع يسمى كبريتات الصوديوم عشرية الهيدرات، والمعروف في شكله المائي باسم "الميرابيليت". وبدلاً من مجرد وزن البلورات، استخدموا مزيجاً من الكاميرات عالية الدقة، وأجهزة الليزر، وماسحات الأشعة السينية لمراقبة العملية وهي تحدث في الوقت الفعلي، بدءاً من مقياس البلورة الكاملة وصولاً إلى الذرات الفردية. واكتشفوا أن عملية التجفيف ليست حدثاً واحداً متجانساً كما كان يُعتقد سابقاً، بل تتكشف في مرحلتين متمايزتين. تبدأ بمرحلة مجهرية هادئة حيث تظهر فجأة بقع دائرية صغيرة من المادة الجافة على سطح البلورة الرطبة. تنمو هذه البقع نحو الخارج في بُعدين، مثل التموجات المنتشرة على سطح بركة، قبل أن يدفع جبهة التجفيف إلى عمق داخل البلورة. وفقط بعد هذا الانفجار الأولي من النشاط السطحي، تتباطأ العملية وتصبح محكومة بحركة بخار الماء المهرب من الطبقات العميقة للبلورة.

وجد الباحثون أن سرعة عملية التجفيف هذه تعتمد على رطوبة الهواء المحيط بالبلورة. فعندما يكون الهواء جافاً جداً، يغادر الماء بسرعة، ولكن المادة الجافة الناتجة تشكل هيكلاً فوضوياً ومسنناً من بلورات صغيرة تشبه الإبر. أما عندما يكون الهواء أكثر رطوبة، فإن التجفيف يحدث ببطء أكبر، مما يسمح للبلورات الجافة بالنمو لتصبح كرات أكبر وأكثر استدارة وتنظيماً. وهذا الاختلاف في الشكل النهائي للمادة الجافة أمر بالغ الأهمية، لأنه يحدد مدى سهولة امتصاص البلورة للماء مرة أخرى في الدورة التالية. فإذا كانت البلورات الجافة صغيرة جداً وكانت المسام بينها ضيقة للغاية، فلن يتمكن بخار الماء من التغلغل بسهولة، مما يجعل المادة أقل كفاءة بمرور الوقت. وقد كشفت الدراسة أن البلورة الجافة تنكمش بنسبة 35 بالمائة تقريباً أثناء فقدانها لماءها، مما يخلق هيكلاً داخلياً معقداً متعدد الطبقات يحتوي على نوعين مختلفين من المسام.

ومن خلال مقارنة كبريتات الصوديوم بأملاح أخرى، كشف الفريق عن قاعدة تربط الهندسة الداخلية للبلورة بكيفية تكسرها. فعندما يتغير الملح من شكل مائي إلى شكل جاف وينتقل الترتيب الداخلي لذراته إلى نمط أكثر تماثلاً، تميل البلورة إلى الانفتاح في بقع دائرية، كما هو الحال مع كبريتات الصوديوم. ومع ذلك، إذا ظل التماثل كما هو، فإن البلورة تتشقق ببسا p خطوط مستقيمة. يشير هذا الملاحظة إلى أن الطريقة التي تتصدع بها البلورة أثناء التجفيف هي دليل مباشر على الآلية التي تقود التفاعل. ويقترح الباحثون أن هذا الارتباط بين شكل البلورة ونمط تكسرها يمكن أن يعمل كدليل للتنبؤ بكيفية سلوك الأملاح المائية الأخرى، مما قد يساعد المهندسين في تصميم مواد أفضل لتخزين الطاقة دون الحاجة إلى اختبار كل الاحتمالات الممكنة في المختبر.

كما تحدت الدراسة اعتقاداً دام طويلاً حول كيفية سير هذه التفاعلات. لسنوات، افترضت النماذج أن تجفيف بلورة الملح هو عملية ثابتة ومتجانسة حيث تتحرك الحدود بين الجزء الرطب والجاف للداخل بسرعة ثابتة. وتظهر الملاحظات الجديدة أن هذه الرؤية غير مكتملة؛ فالنشوء الأولي السريع لتلك البقع الجافة الدائرية هو خطوة حاسمة تحدث بسرعة كبيرة وعلى نطاق صغير جداً بحيث تكون غير مرئية في تجارب فقدان الوزن القياسية. وفقط من خلال التركيز باستخدام تقنيات التصوير المتقدمة يصبح هذا الطور النووي الخفي واضحاً. وقد أكد الباحثون أن الخطوة المحددة للمعدل — أي الجزء الأبطأ من العملية الذي يتحكم في السرعة الإجمالية — هي إنشاء المساحات الفارغة، أو الفراغات، حيث كانت توجد جزيئات الماء. وبمجرد تشكل هذه الفراغات عند الواجهة بين القسمين الرطب والجاف، يمكن للماء الهروب، وتتقدم الطبقة الجافة.

يوفر هذا العمل صورة أوضح للتغيرات الفيزيائية التي تحدث عندما تجف بلورة الملح، متجاوزاً مجرد قياسات الوزن إلى فهم تفصيلي للتحول الهيكلي. وتشير النتالئج إلى أن البيئة التي تجف فيها الملح تغير بشكل جوهري بنية المادة الناتجة، وهو ما يؤثر بدوره على قدرتها على العمل في نظام تخزين حراري. ومن خلال فهم أن العملية تبدأ بنوع معين من النشوء السطحي وأنها محكومة بتماثل الهيكل البلوري، يمكن للعلماء الآن البحث عن هذه العلامات المحددة عند تقييم المواد الجديدة. لا يحل هذا البحث كل مشكلة تتعلق بتخزين الطاقة الحرارية، ولكنه يقدم عدسة جديدة لرؤية سلوك الأملاح المائية، محولاً عملية كانت سابقاً غامضة إلى تسلسل من الأحداث المرئية والمفهومة.