Synthesis, Structural, Dielectric, Optical, and Photocatalytic Properties of Ni0.5Cu0.5FeCrO4 Spinel Chromite Prepared by the Sol–Gel Method

في عالم علم المواد، يبحث الباحثون باستمرار عن مواد يمكنها القيام بأكثر من مجرد الجلوس على الرف. إنهم يريدون مواد يمكنها التقاط الضوء، وتحريك الكهرباء، وتفكيك المواد الكيميائية الضارة، كل ذلك مع الحفاظ على الاستقرار والقوة. هناك عائلة من المواد التي لطالما حملت وعوداً لهذه المهام تُعرف باسم "السبينل" (spinels). تخيل بنية بلورية حيث تترصت الذرات معاً في نمط متكرر ومحدد، مما يخلق أنفاقاً وجيوباً صغيرة حيث يمكن لأيونات معدنية مختلفة أن تعيش. يسمح هذا الترتيب بضبط المادة مثل آلة موسيقية؛ فمن خلال استبدال معدن بآخر، يمكن للعلماء تغيير كيفية توصيلها للكهرباء، وكيفية تفاعلها مع الضوء، وكيفية تفاعلها مع بيئتها. هذه الخصائص تجعل السبينل مرشحاً جذاباً لتنظيف المياه الملوثة، وبناء أجهزة إلكترونية أفضل، والتقاط الطاقة الشمسية. ويكمن التحدي في إيجብاد المزيج الصحيح من المعادن لإنشاء مادة فعالة، ومتينة، وقادرة على العمل تحت ضوء الشمس العادي بدلاً من الحاجة إلى معدات متخصصة وباهظة الثمن.

لقد شرع فريق من الباحثين من جامعات في السعودية وتونس مؤخراً في إنشاء ودراسة عضو جديد في هذه العائلة: سبينل مكون من النيكل والنحاس والحديد والكروم. أرادوا معرفة ما إذا كان خلط هذه المعادن الأربعة معاً سيخلق مادة ذات خصائص فائقة لتنظيف المياه وتوصيل الكهرباء. وباستخدام تقنية تسمى طريقة "سول-جيل" (sol-gel)، والتي تتضمن خلط مواد كيميائية سائلة لتكوين هلام (جل) ثم خبزه ليصبح مسحوقاً صلباً، قاموا بتخليق مركب صيغته Ni0.5Cu0.5FeCrO4. سمحت هذه العملية بخلط المعادن على المستوى الجزيئي، مما ضمن الحصول على منتج نهائي متجانس ونقي للغاية. وبمجرد حصولهم على المسحوق، أخضعوه لسلسة صارمة من الاختبارات لفهم بنيته الداخلية، وكيفية تعامله مع الكهرباء، وكيفية امتصاصه للضوء، وما إذا كان بإمكانه بالفعل تفكيك صبغة زرقاء شائعة تُستخدم في النفايات الصناعية.

كانت الخطوة الأولى هي النظر في البنية البلورية للتأكد من أنهم صنعوا بالضبط ما كانوا يهدفون إليه. ومن خلال قذف عينة بالأشعة السينية، رأى الباحثون نمطاً من القمم الحادة التي تطابقت مع بصمة بنية "السبينل المكعبة". وقد أكد هذا أن ذرات النيكل والنحاس والحديد والكروم قد رتبت نفسها في النمط المنظم المطلوب دون تكوين أي شوائب غير مرغوب فيها. وأظهر تحليل إضافي للاهتزازات داخل المادة، باستخدام الضوء تحت الأحمر، أن الذرات المعدنية كانت مرتبطة بالأكسجين بالطرق المتوقعة لهذا النوع من البلورات. وقدر الفريق حجم البلورات الصغيرة المكونة للمسحوق باستخدام معادلة "ديباي-شيرر" (Debye–Scherrer)، وهي طريقة قياسية لتحديد أبعاد نطاقات التشتت المتماسك. وهذا المقياس الصغير مفيد لأنه يوفر مساحة سطح كبيرة لحدوث التفاعلات الكيميائية.

بعد ذلك، بحث الباحثون في كيفية انتقال الكهرباء عبر المادة. ووجدوا أن المركب يتصرف كأشباه موصلات، مما يعني أنه يمكنه توصيل الكهرباء، ولكن فقط عندما يتم توفير طاقة كافية لتحريك الإلكترونات. ومع تسخين المادة، زاد تدفق الكهرباء بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن الحرارة تساعد حوامل الشحنة على القفز من ذرة إلى أخرى. وأشارت البيانات إلى أن هذه الحركة تتم من خلال عملية يقفز فيها الإلكترونات فوق حواجز طاقة صغيرة، وهي آلية تصبح أسهل مع ارتفاع درجة الحرارة. وقد تم قياس الطاقة المطلوبة لهذا القفز وكانت منخفضة للغاية، وهو مؤشر جيد للمواد المخصدة للعمل في الأجهزة الإلكترونية أو في الظروف المحيطة. كما أظهر السلوك الكهربائي أن المادة تستجيب بشكل مختلف اعتماداً على سرعة تغير المجال الكهربائي، وهي سمة مفيدة لتصميم المستشعرات والمكثفات.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة يتعلق بكيفية تفاعل المادة مع الضوء. فعندما سلط الباحثون الضوء على المسحوق، وجدوا أنه يمتص كمية كبيرة من الضوء المرئي، وهو نفس الجزء من الطيف الذي تراه العين البشرية. وقد حسبوا أن فجوة الطاقة المطلوبة لإثارة إلكترون في هذه المادة تبلغ حوالي 2.76 إلكترون فولت. هذه القيمة بالغة الأهمية لأنها تعني أن المادة يمكن تنشيطها بواسطة ضوء الشمس بدلاً من مجرد الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة، والتي تعد أقل وفرة في ضوء الشمس الطبيعي. وهذه القدرة على حصاد الضوء المرئي هي مطلب رئيسي للمحفزات الضوئية العملية، وهي المواد التي تستخدم الضوء لدفع التفاعلات الكيميائية.

ولاختبار ما إذا كان بإمكان هذه المادة تنظيف المياه بالفعل، وضع الفريق المادة في محلول يحتوي على "ميثيلين بلو" (methylene blue)، وهي صبغة زرقاء زاهية تُستخدم غالباً لنمذجة الملوثات الصناعية. عرضوا الخليط للضوء المرئي وراقبوا ما يحدث بمرور الوقت. وفي غضون ثلاث ساعات، تلاشت زرقة الماء بشكل كبير، حيث تم تفكيك حوالي 90 بالمائة من الصبغة. لاحظ الباحثون أن جزيئات الصبغة لم تكن تلتصق فقط بسطح المسحوق، بل إن الضوء كان يتسبب في الواقع في تفاعلات كيميائية تدمر جزيئات الصبغة. اتبعَت العملية نمطاً يمكن التنبؤ به حيث تباطأت معدلات التفكك مع انخفاض تركيز الصبغة، وهو سلوك نموذجي للعديد من عمليات التنظيف الكيميائية. كما أثبتت المادة أنها متينة أيضاً؛ فبعد غسلها واستخدامها خمس مرات متتالية، ظلت تحتفظ بمعظم قدرتها على تفكيك الصبغة، مما يظهر أنها لا تتآكل بسه تش أو تفقد فعاليتها.

تخلص الدراسة إلى أن هذا المزيج المحدد من النيكل والنحاس والحديد والكروم يخلق مادة مستقرة ومتعددة الوظائف. فهي ليست مجرد فضول نظري، بل هي مادة يمكن صنعها بشكل موثوق، وتوصل الكهرباء بطريقة مفيدة، وتمتص الضوء المرئي بكفاءة، وتعمل بنشاط على تنظيف المياه تحت ضوء الشمس. وبينما أشار الباحثون إلى أن التفاصيل الدقيقة لكيفية حركة الإلكترونات وتوزيع الذرات على المقياس المجهري لا تزال تحمل بعض التعقيد، فإن الأداء العام واضح. تمثل هذه المادة خطوة واعدة للأمام في تطوير حلول مدعومة بالطاقة الشمسية ومنخفضة التكلفة لتنظيف البيئة والتطبيقات الإلكترونية المتقدمة. ويعمل هذا العمل على إثبات أنه من خلال اختيار ودمج المعادن الشائعة بعناية، يمكن للعلماء هندسة مواد تحول الضوء إلى طاقة كيميائية، مما يقدم أداة محتملة لمستقبل أكثر نظافة.