Harnessing a transient liquid-metal flux for the ultrafast photoforging of compositionally complex oxide nanoarchitectures

غالباً ما يبدو صنع مواد جديدة وكأنه محاولة لخلط الزيت والماء. ففي عالم الكيمياء، ترفض عناصر معينة ببساطة الامتزاج مع بعضها البعض، حتى عند تسخينها إلى درجات حرارة قصوى. وبدلاً من تكوين مادة واحدة متجانسة، فإنها تنفصل إلى كتل متميزة، وهي عملية تُعرف باسم الفصل الطوري. ويعد هذا عائقاً رئيسياً أمام العلماء الذين يحاولون ابتكار فئة معينة من المواد المتقدمة تسمى الأكاسيد المعقدة تركيبياً. وهذه الأكاسيد هي مواد صلبة مكونة من العديد من الذرات المعدنية المختلفة المختلطة في بنية بلورية واحدة. وبينما تحمل هذه المواد وعوداً هائلة للطاقة النظيفة والبطاريات الأفضل، فإن الطرق التقليدية لصنعها غالباً ما تفشل؛ إذ إن التسخين البطيء والطويل المطلوب لإجبار هذه العناصر العنيدة على الامتزاج غالباً ما يدمر الأشكال الدقيقة ذات المساحة السطحية العالية اللازمة لعملها، مما يترك وراءه فقط حبيبات خشنة وغير مفيدة.

لقد وجد فريق من الباحثين في معهد كوريا للعلوم والتكنولوجيا طريقة لتجاوز هذا القيد الجوهري. فقد طوروا تقنية يسمونها "التشكيل الضوئي" (photoforging)، والتي تجمع بين معدن سائل عابر ودفقة ضوئية خاطفة لتخليق هذه المواد المعقدة في جزء من الثانية. ومن خلال استخدام ومضة ضوئية واحدة مكثفة تستمر لعشرين جزءاً من الألف من الثانية فقط، تمكنوا من صهر خليط من المعادن، وإجبارها على الامتزاج بشكل مثالي، ثم تجميدها فوراً في مكانها قبل أن تنفصل. والنتيجة هي نوع جديد من المواد التي تنمو مباشرة على ركيزة معدنية على شكل غابة من الصفائح الرأسية شديدة الرقة. لا تحل هذه الطريقة مشكلة الامتزاج فحسب، بل تخلق أيضاً مادة جيدة للغاية في شطر الماء إلى هيدروجين وأكسجين، وهي خطوة رئيسية لإنتاج الوقود النظيف.

تبدأ قصة هذا الاكتشاف بملاحظة بسيطة حول كيفية سلوك المعادن عندما تسخن. فعادةً، لخلط معادن مختلفة في أكسيد واحد، يجب على العلماء خبزها في فرن لساعات في درجات حرارة عالية. هذه العملية البطيئة تمنح الذرات وقتاً للعثور على أكثر مواضعها استقراراً وراحة، لكنها تمنحها أيضاً وقتاً للتباعد إذا لم تكن تحب بعضها البعض بشكل طبيعي. أراد الباحثون القيام بالعكس تماماً: كانوا بحاجة إلى خلط الذرات بسرعة كبيرة بحيث تُحبس في حالة متجانسة قبل أن تتاح لها الفرصة للانفصال. ولتحقيق ذلك، لجأوا إلى سبيكة معدنية سائلة مكونة من الغاليوم والإنديوم، والتي تظل سائلة عند درجات حرارة منخفضة نسبياً. وقد خلطوا هذا المعدن السائل مع جزيئات دقيقة تحتوي على معادن انتقالية مختلفة، مثل الحديد والكوبالت والنيكل والنحاس والزنك.

وعند تطبيق هذا الخليط على شريحة من ألياف النيكل وتسليط ومضة ضوئية واحدة قوية عليه، حدث تحول دراماتيكي. فقد تسببت الحرارة الشديدة الناتجة عن الضوء، والتي ارتفعت وانخفضت بمعدل خمسين ألف درجة كلفن في الثانية، في تمزق المعدن السائل وانتشاره، مما أدى إلى ترطيب سطح ألياف النيكل. وفي هذه الحالة السائلة القصيرة، عمل المعدن السائل كمذيب، حيث حمل ذرات المعادن المختلفة وخلطها معاً بانتظام تام. والأهم من ذلك، أن الضوء حفّز أيضاً تفاعلاً بين المعدن السائل وليف النيكل الموجود تحته، مما شكل طبقة صلبة رقيقة تثبت المادة الجديدة على السطح. ومع انتهاء ومضة الضوء، بردت المادة بنفس السرعة التي سخنت بها، مما أدى إلى تجميد الذرات المختلطة في بنية واحدة مستقرة.

ما نتج عن هذه العملية كان مادة مختلفة تماماً عما تنتجه الأفران التقليدية. فبدلاً من البلورات الضخمة والكتلية التي تُرى عادةً، أنتجت طريقة التشكيل الضوئي غابة كثيفة من الصفائح ثنائية الأبعاد فائقة الرقة تقف رأسياً على ألياف النيكل. كانت هذه الصفائح رقيقة جداً لدرجة أنه لا يمكن رؤيتها إلا تحت مجاهر قوية، ومع ذلك كانت متجانسة كيميائياً، حيث تحتوي على جميع أنواع الذرات المعدنية الموزعة بالتساوي في جميع أنحائها. وقد أكد الباحثون أن المعدن السائل لم يتبق في المنتج النهائي؛ بل عمل فقط كوسيلة مؤقتة لتوصيل وخلط المكونات، تاركاً وراءه أكسيداً معقداً ونقياً. لقد كانت دورة التسخين والتبريد السريعة هذه هي مفتاح النجاح، لأنها منعت الذرات من إعادة الترتيب إلى أطوار منفصلة، مما أدى فعلياً إلى حبسها في حالة عالية الطاقة كان من المستحيل الوصول إليها عبر التسخين البطيء.

وقد تم اختبار تعدد استخدامات هذه الطريقة من خلال إنشاء مكتبة من المواد ذات تركيبات معدنية مختلفة، تتراوح من أكاسيد المعدن المنفردة البسيطة إلى مخاليط معقدة تحتوي على ما يصل إلى عشرة عناصر مختلفة. ووجد الباحثون أنه بينما واجهت بعض التركيبات صعوبة في تشكيل البنية الصفائحية المطلوبة، فإن المخاليط الأكثر تعقيداً، وخاصة تلك التي تحتوي على خمسة عناصر أو أكثر، أنتجت باستمرار الصفائح النانوية الرأسية الجميلة. وهذا يشير إلى أن التعقيد الشديد لوجود العديد من الذرات المختلفة يساعد في الواقع على استقرار البنية، مما يمنع العناصر من الانفصال. وفي عرض مذهل، نجح الفريق في إنشاء مادة تحتوي على عشرة أنواع متميزة من المعادن، جميعها متجانسة في إطار واحد متماسك. يفتح هذا المستوى من الحرية التركيبية مساحة واسعة لتصميم مواد ذات خصائص محددة، وهو أمر كان بعيد المنال سابقاً.

ولمعرفة ما إذا كانت هذه المواد الجديدة يمكنها القيام بعمل مفيد، اختبر الباحثون نسخة مكونة من خمسة معادن كقطب كهربائي لشطر الماء. في هذه العملية، تُستخدم الكهرباء لتفكيك جزيئات الماء لإنتاج وقود الهيدروجين وغاز الأكسجين. وقد أظهرت المادة الجديدة، التي لم تتطلب عوامل ربط للالتصاق بالقطب، كفاءة استثنائية؛ حيث قامت بشطر الماء إلى هيدروجين وأكسجين بسرعة ومتانة تضاهي أو حتى تتفوق على أفضل المحفزات التجارية المتاحة حالياً. وظلت المادة مستقرة لأكثر من مائة ساعة من التشغيل المستمر، دون ظهور أي علامات على التآكل تقريباً. وتُعزى هذه المتانة إلى البنية الفريدة للمادة، حيث يؤدي الخلط الوثيق للعديد من الذرات المختلفة إلى إنشاء شبكة بلورية صلبة ومشدودة تقاوم التحلل تحت الظروف القاسية للتفاعل.

تكمن أهمية هذا العمل ليس فقط في المادة المحددة التي تم إنشاؤها، بل في الطريقة المستخدمة لصنعها. فمن خلال فصل عملية خلط الذرات عن عملية نمو شكل المادة، أظهر الباحثون أنه من الممكن تجاوز القواعد الديناميكية الحرارية التي تملي عادةً كيفية تشكل المواد. إن عملية التشكيل الضوئي تحول المشكلة التقليدية المتمثلة في عدم الامزاج إلى أداة تصميم، مما يسمح للعلماء بخلط العناصر التي قد ترفض الاتحاد عادةً. هذا النهج يضغط ما كان يُعتبر عملية بطيئة قائمة على التجربة والخطأ لاكتشاف المواد في غضون أجزاء من الثانية لكل عينة. كما يوفر طريقة قوية لاستكشاف تركيبات هائلة من العناصر، مما قد يسرع من تطوير بطاريات وحساسات ومحفزات أفضل لمجموعة واسعة من التطبيقات. إن القدرة على تشكيل مواد معقدة وعالية الأداء فورياً مباشرة على ركيزة تمثل تحولاً جذرياً في كيفية مقاربتنا لإنشاء الجيل القادم من المواد الصلبة الوظيفية.