Significant effect of neodymium oxide (Nd2O3) into mechanical and structural characteristics of lithium borate glass systems for superior radiation-shielding performance

في عالم علم المواد، يُعد الزجاج أكثر بكثير من مجرد لوح نافذة أو وعاء للشرب؛ فهو مادة صلبة غير متبلورة ومتعددة الاستخدامات، يمكن هندستها لتكتسب سمات فيزيائية محددة، بدءاً من المتانة الفائقة وصولاً إلى القدرة على حجب الإشعاع غير المرئي. ومن بين الأنواع العديدة للزجاج، يبرز زجاج البورات بمرونته؛ حيث يمكن إعادة تشكيل بنيته الداخلية عن طريق إضافة مكونات كيميائية مختلفة، مما يسمح للعلماء بضبط خصائصه لمهام محددة. ويعد أحد أهم التطبيقات لهذه المواد المتقدمة هو الحماية من الإشعاع. ففي المستشفيات، والمنشآت النووية، والبيئات الصناعية، يمثل حماية البشر والمعدات من أشعة غاما الضارة تحدياً مستمراً. تقليدياً، كان الرصاص هو المادة المفضلة لهذه المهمة، لكن الباحثين يتطلعون بشكل متزايد إلى بدائل أخف وزناً وأكثر رفقاً بالبيئة لا تساوم على السلامة. ويكمن المفتاح لإنشاء درع أفضل في فهم كيفية تفاعل الذرات الصغيرة داخل الزجاج مع بعضها البعض، وكيف يمكن لتغيير "الوصفة" أن يجعل المادة أكثر كثافة وفعالية في إيقاف الإشعاع.

لقد شرع فريق من الباحثين من جامعات في المملكة العربية السعودية ومصر في استكشاف طريقة محددة لتحسين زجاج بورات الليثيوم. فقد ركزوا على عائلة من عينات الزجاج حيث قاموا تدريجياً باستبدال مكون شائع، وهو أكسيد الصوديوم، بعنصر من العناصر الأرضية النادرة يسمى أكسيد النيوديميوم. وكان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا الاستبدال سيقوي الزجاج ويحسن قدرته على حجب الإشعاع. أنشأ الفريق خمس دفعات مختلفة من الزجاج، تتراوح من عينة لا تحتوي على أي نيوديميوم إلى أخرى يشكل فيها النيوديميوم أربعة بالمائة من الخليط. ومن خلال صهر المساحيق الخام معاً بعناية وتبريدها بسرعة، أنتجوا عينات زجاج صلبة احتفظت ببنيتها الشفافة وغير المتبلورة. ثم أخضعوا هذه العينات لسلسلة من الاختبارات، حيث قاسوا وزنها وحجمها وبنيتها الداخلية، مع استخدام عمليات محاكاة حاسوبية للتنبؤ بكيفية تفاعلها مع أشعة غاما.

كشفت نتائج تحقيقهم عن اتجاه واضح وإيجابي. فكلما أضاف الباحثون المزيد من أكسيد النيوديميوم، أصبح الزجاج أثقل وزناً وأكثر كثافة بشكل ملحوظ. فقد ارتفعت كثافة العينات من حوالي 3.59 جرام لكل سنتيمتر مكعب في المادة الأولية إلى ما يقرب من 3.88 جرام لكل سنتيمتر مكعب في العينة ذات المحتوى الأعلى من النيوديميوم. ولم يكن هذا الارتفاع في الوزن مجرد مسألة إضافة عنصر أثقل؛ بل كان إشارة إلى تغيير جوهري في كيفية تراص الزجاج معاً. فقد أعادت البنية الداخلية ترتيب نفسها، حيث اقتربت الذرات من بعضها البعض وتقلصت المساحات بينها. جعلت هذه العملية الزجاج أكثر تماسكاً ومتانة. كما لاحظ الباحثون أن إضافة النيوديميوم ساعدت في تحويل بعض الترتيبات الذرية المسطحة والمثلثة إلى أشكال هرمية ثلاثية الأبعاد أكثر استقراراً. وقد عزز هذا التحول الهيكلي الروابط التي تمسك الزجاج معاً، مما جعله أقل مرونة وأكثر مقاومة للإجهاد الفيزيائي.

وقد تُرجمت هذه التحسينات الهيكلية مباشرة إلى أداء أفضل عندما يتعلق الأمر بحجب الإشعاع. فقد وجد الفريق أن الزجاج ذو التركيز الأعلى من النيوديميوم كان الدرع الأكثر فعالية. فقد كان أفضل في امتصاص وتشتيت أشعة غاما مقارنة بالعينات التي تحتوي على كمية أقل من النيوديميوم. ومن الناحية العملية، يعني هذا أن قطعة رقيقة من هذا الزجاج المتقدم يمكن أن توفر نفس مستوى الحماية الذي توفره قطعة أكثر سمكاً من الزجاج القديم الأقل تعديلاً. وقد حسب الباحثون أن العينة ذات المحتوى الأعلى من النيوديميوم كانت تمتلك أعلى قدرة على إيقاف الإشعاع عبر نطاق واسع من مستويات الطاقة. كما أكدوا أن الزجاج ظل مستقراً ولم يتحول إلى مادة صلبة متبلورة، وهو ما كان من شأنه أن يفسد خصائص الحجب لديه. وتشير الدراسة إلى أنه من خلال مجرد ضبط الوصفة لتشمل المزيد من النيوديميوم، يمكن للعلماء ابتكار زجاج ليس فقط أقوى ميكانيكياً، بل وأيضاً حاجزاً فائقاً ضد الإشعاع، مما يوفر بديلاً واعداً للاستخدام في تطبيقات السلامة الطبية والصناعية.