Cold sintering and magnetic properties of high-entropy oxide (Mn,Fe,Co,Ni,Cu)3O4 ceramics

في عالم علم المواد، هناك شغف متزايد بفئة من المواد تُعرف بالأكاسيد عالية الاعتلال (high-entropy oxides). تخيل مادة سيراميكية لا تتكون من مكون رئيسي واحد أو اثنين، بل من خليط معقد من خمسة عناصر معدنية مختلفة على الأقل، ممزوجة جميعها معاً بكميات متساوية تقريباً. هذا المزيج الفوضوي يخلق استقراراً فريداً، مما يسمح للمادة بالحفاظ على بنية موحدة حتى تحت الضغط. هذه المواد تحظى بتقدير كبير لقدرتها على توصيل الكهرباء، أو تخزين الطاقة، أو التفاعل مع المجالات المغناطيسية، مما يجعلها مرشحة محتملة لكل شيء بدءاً من البطاريات الأفضل وصولاً إلى ذاكرة الكمبيوتر المتقدمة. ومع ذلك، فإن تحويل هذه المساحيق إلى كتل سيراميكية صلبة وقابلة للاستخدام كان مهمة صعبة تقليدياً. وتتضمن الطريقة القياسية تسخين المسحوق إلى درجات حرارة قصوى، غالباً ما تتجاوز 900 درجة مئوية. وعند مثل هذه الحرارة العالية، يمكن للتوازن الدقيق للمعادن الخمسة أن ينهار، مما يتسبب في فقدان المادة لخصائصها الخاصة أو تغير تركيبها الكيميائي تماماً. وقد سعى العلماء طويلاً لإيجاد طريقة لدمج هذه المساحيق في أشكال صلبة دون إخضاعها لمثل هذه الحرارة القاسية، آملين في الحفاظ على بنية الاعتلال العالي الفريدة التي تجعلها قيمة للغاية.

لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال النجاح في إنشاء كتل سيراميكية صلبة من خليط محدد عالي الاعتلال باستخدام تقنية تسمى عملية التلبيد البارد (cold sintering process). فبدلاً من الاعتماد على الحرارة الشديدة، تستخدم هذه الطة مزيجاً من الضغط المكثف ودرجات الحرارة المعتدلة، جنباً إلى جنب مع كمية صغيرة من السائل لربط جزيئات المسحوق معاً. ركز الفريق على سيراميك مصنوع من المنجنيز والحديد والكوبالت والنيكل والنحاس. قاموا بخلط المسحوق الناعم مع إضافات سائلة مختلفة، مثل الماء أو هيدروكسيد الصوديوم أو خلات الأمونيوم، ثم ضغطوا الخليط في قالب تحت ضغط قدره 315 ميغاباسكال. وبينما كانت المادة تحت هذا الضغط الهائل، قاموا بتسخينها إلى درجة حرارة معتدلة نسبياً تتراوح بين 250 إلى 300 درجة مئوية وأبقوها عند هذا المستوى لمدة تترا Mensch 30 إلى 60 دقيقة. سمح هذا النهج بإنتاج سيراميك صلب تصل كثافته إلى 74 بالمائة من الحد الأقصى النظري، كل ذلك مع الحفاظ على درجة حرارة منخفضة بما يكفي لمنع المادة من التحلل.

كانت نتائج هذه التجربة مذهلة، لا سيما فيما يتعلق بكيفية سلوك المادة في مجال مغناطيسي. فعندما اختبر الباحثون القوة المغناطيسية للسيراميك الجديد، وجدوا أن المادة لم تنجُ من العملية فحسب، بل إنها تحسنت في جوانب معينة مقارنة بالمسحوق الأصلي المتناثر. أظهرت الكتل الصلبة مغنطة تشبع قدرها 20.0 emu/g، ومغنطة متبقية قدرها 9.4 emu/g، وإكراهية (coercivity) قدرها 354.8 Oe. تشير هذه الأرقام إلى أن المادة قوية مغناطيسياً وتحافظ على حالتها المغناطيسية بشكل جيد. والأهم من ذلك، أظهر التحليل أن البنية المعدنية المعقدة المكونة من خمسة معادن ظلت سليمة طوال العملية. لاحظ الباحثون أن الحبيبات داخل السيراميك الصلب كانت صغيرة جداً، حيث بلغ متوسط حجمها حوالي 0.5 ميكرومتر. وتعد هذه البنية دقيقة الحبيبات ذات أهمية كبيرة لأنها تشير إلى أن المادة تتكون من نطاقات مغناطيسية منفردة، مما يفسر سبب قوة الخصائص المغناطيسية. وتشير الدراسة إلى أن الآلية التي تمسك المادة معاً خلال هذه العملية من المرجح أن تكون مدفوعة بالحركة الصلبة للذرات بدلاً من ذوبان المادة وإعادة تشكلها في الماء، وهي نظرية تتحدى بعض الافتراضات السابقة حول كيفية عمل هذه الطريقة منخفضة الحرارة.

يبرهن هذا العمل على أنه من الممكن تصنيع سيراميك مغناطيسي عالي الاعتلال دون الحاجة إلى الحرارة الشديدة التي تهدد عادةً بتدمير خصائصها الفريدة. فمن خلال استخدام الضغط ودرجات الحرارة المعتدلة، حافظ الفريق على الترتيب الذري المعقد للمعادن الخمسة مع إنشاء جسم صلب ذو أداء مغناطيسي فائق. وتشير النتائج إلى أن هذا النهج منخفض الحرارة يمكن أن يكون مساراً قابلاً للتطبيق لإنتاج الأجهزة المغناطيسية الوظيفية، مثل مكونات تخزين البيانات أو تطبيقات الطاقة، حيث يعد الحفاظ على التوازن الكيميائي الدقيق للمادة أمراً ضرورياً. ويؤكد البحث أن بنية الاعتلال العالي ليست مجرد خاصية للمسحوق فحسب، بل يمكن نقلها بنجاح إلى شكل سيراميكي صلب وكثيف، مما يفتح الباب أمام تطبيقات عملية أكثر لهذه المواد المعقدة.