الخصائص الهيكلية والميكانيكية والكهربائية ودرع الإشعاع لزجاج فوسفات الليثيوم-الزنك الجديد مع شوائب الإتريوم والنيوديميوم

زجاج وقائي لعالم عالي الإشعاع

تحتاج المستشفيات الحديثة والمختبرات البحثية والمرافق النووية إلى مواد يمكنها حجب الإشعاع الضار بأمان من دون التضحية بالشفافية أو المتانة. تستكشف هذه الدراسة نوعًا جديدًا من الزجاج الخاص، مُعدَّلًا على المستوى الذري بعناصر نادرة، لمعرفة ما إذا كان بإمكانه امتصاص الإشعاع بشكل أفضل مع أن يصبح أكثر صلابة واستجابة كهربائية. تُظهر النتائج كيف أن تغييرات بسيطة في الوصفة — استبدال عنصر أخف بآخر أثقل يُدعى الإتريوم — تعيد ترتيب بنية الزجاج بشكل دقيق وتُحسّن عدة خصائص مفيدة في آن واحد.

بناء وصفة زجاج أفضل

بدأ الباحثون بزجاج أساسي مكوَّن أساسًا من الفوسفور والأكسجين (زجاج فوسفات)، مضافًا إليه الليثيوم والزنك والبزموت وجرعة صغيرة من النيوديميوم، وهو أيون نادر الانبعاث يُستخدم بالفعل في الليزر. إلى هذا الخليط أضافوا تدريجيًا كميات متزايدة من أكسيد الإتريوم. ذُوِبت كل دفعة في فرن شديد الحرارة ثم بُردت بسرعة أو «قُصرت» لتثبيت الزجاج في حالة صلبة قبل تكوّن البلورات. بمقارنة زجاجات بأربعة مستويات مختلفة من الإتريوم، تمكن الفريق من رصد كيف يؤثر هذا التغير الوحيد على البنية والكثافة والمتانة والسلوك الكهربائي والقدرة على وقف الإشعاع عالي الطاقة.

ما الذي يحدث داخل الزجاج

على المستوى المجهري، يتكوّن زجاج الفوسفات العادي من وحدات رباعية الزوايا مرتبطة عند الزوايا — كتل بناء صغيرة شبيهة بالأهرامات متصلة في سلاسل وشبكات. باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء، رصد المؤلفون كيف تتحرك هذه الكتل مع إضافة الإتريوم. وجدوا أن الإتريوم يكسر بعض الروابط الأصلية ويكوّن روابط جديدة بين الإتريوم والأكسجين، مما يخلق المزيد من «النهايات الحرة» في الشبكة. تزيد هذه مواقع الأكسجين غير الجسرية والروابط الجديدة من الاضطراب البنيوي لكنها في الوقت ذاته تجعل الشبكة أكثر قربًا. أكدت القياسات أن الكثافة ترتفع باستمرار مع استبدال وحدات غنية بالفوسفور أخف وزنًا بأكسيد الإتريوم الأثقل، ما يؤدي إلى زجاج أكثر تكاثفًا وتماسكًا.

السلوك الكهربائي والمتانة الميكانيكية

يغيّر الشبكة الداخلية المعدلة أيضًا كيفية استجابة الزجاج للمجالات الكهربائية. عند تطبيق جهد متناوب عبر نطاق واسع من التردّدات، تبدأ قدرة الزجاج على تخزين الطاقة الكهربائية — سماه العياري أو السماحية النسبية — مرتفعة عند التردّدات المنخفضة وتنخفض مع تسارع تذبذب المجال. مع ازدياد الإتريوم، ترتفع كل من السماحية والتوصيلية الكهربائية بشكل عام، ما يشير إلى أن النهايات الحرة الجديدة للأكسجين والشبكة المعاد ترتيبها توفر مسارات أسهل للأيونات المتحركة مثل الليثيوم. في الوقت نفسه، تُظهر المعاملات الميكانيكية المحسوبة أن الزجاج يصبح أكثر صلابة: يرتفع معامل يونغ ومعامل الانضغاط والمعامل القصي مع محتوى الإتريوم. عمليًا، يقاوم الزجاج الضغط والشد والقص بشكل أكثر فعالية، رغم أن صلابته تتغير بشكل طفيف فقط.

إيقاف أشعة إكس والنيوترونات

بما أن ذرات الإتريوم أثقل من الفوسفور، فإن وجودها يؤثر أيضًا على تفاعل الزجاج مع الفوتونات عالية الطاقة والنيوترونات السريعة. حسب الفريق رقمًا فعّالًا للعنصر الذري، وهو مقياس مرتبط بقوة امتصاص المادة للإشعاع، عبر طاقات الفوتونات من مستويات أشعة إكس الطبية إلى الطاقات ذات الصلة بالتقنية النووية. تكون قيمة هذا المقياس أعلى عند طاقات فوتون منخفضة جدًا، تنخفض في النطاق المتوسط حيث يهيمن التشتت، وتعاود الارتفاع عند أعلى الطاقات. يزيد إضافة الإتريوم المقياس الفعّال للعنصر الذري عند كل الطاقات ويُحدث تحسنًا طفيفًا لكن ثابتًا في كل من حماية الفوتونات والنيوترونات. في بعض الحالات، يكون أداء الزجاج مساويًا أو أفضل من مواد بناء شائعة مثل الخرسانة ويقترب من أداء زجاجات الحماية التجارية.

لماذا يهم هذا الزجاج

بشكل إجمالي، تُظهر الدراسة أن إدخال الإتريوم بعناية في زجاج فوسفات الليثيوم-الزنك يخلق مادة أكثر كثافة وقوة ميكانيكية واستجابة كهربائية، كما تمتص الإشعاع بشكل أفضل قليلًا. للمختص غير المتخصص، الخلاصة أن الزجاج «المصمم» يمكن ضبطه مثل السبيكة: من خلال استبدال عناصر محددة، يستطيع العلماء المقايضة بين شبكة مفتوحة وخفيفة الوزن مقابل بنية أثقل وأكثر تماسكًا تقي الإشعاع وتتحمل المتطلبات الميكانيكية والكهربائية. قد تساعد مثل هذه الزجاجات يومًا ما على تحسين النوافذ وفتحات الرؤية والمكوّنات في البيئات التي يجب فيها حماية الأشخاص والأجهزة من إشعاع قوي دون فقدان الوضوح أو المتانة.

الاستشهاد: Alharshan, G.A., Shaaban, S.M., Elsad, R. et al. The structural, mechanical, electrical, and radiation-shielding properties of newly yttrium and neodymium-doped lithium-zinc-phosphate glasses. Sci Rep 16, 7971 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36616-w

الكلمات المفتاحية: زجاج حاجز للإشعاع, فوسفات مشوب بالإتريوم, مواد العناصر النادرة, الخصائص العازلة, القوة الميكانيكية