أكسيد النحاس يضبط خصائص زجاج فلوروباريوبورات متعددة الوظائف للتطبيقات البصرية والعازلة والواقية

دروع شفافة لمخاطر غير مرئية

تعتمد المستشفيات الحديثة والمختبرات البحثية والمرافق النووية على جدران سميكة ونوافذ ثقيلة لمنع أشعة إكس وأشعة غاما من إيذاء الناس. تقليدياً، كانت هذه الحواجز مصنوعة من الرصاص السام. تستكشف هذه الدراسة عائلة جديدة من الزجاج المحتوي على النحاس التي قد تقوم بالمهمة نفسها بشكل أكثر أماناً، مع الحفاظ على الشفافية وحتى إمكانية تخزين الطاقة الكهربائية. تم تصميم هذه الزجاجات الفلوروباريوبوراتية المحتوية على النحاس (CFBB) لحجب الإشعاعات الخطرة والتعامل مع الحقول الكهربائية ونقل الضوء بطرق مفيدة، كل ذلك في آن واحد.

ابتكار نوع زجاج أكثر أمناً

صنع الباحثون زجاج CFBB عن طريق إذابة وسرعة تبريد خليط من أكسيد البورون وأكسيد الباريوم وفلوريد المغنيسيوم وكمية ضئيلة جداً من أكسيد النحاس. بتغيير محتوى النحاس من 0 إلى 0.5 مول%، أمكن دراسة مدى استيعاب شبكة الزجاج للنحاس دون فقدان بنيتها. أظهرت قياسات حيود الأشعة السينية والاطياف تحت الحمراء أنه، حتى حوالي 0.3 مول% من النحاس، يظل الزجاج غير متبلور بالكامل — الذرات غير مرتبة مثل سائل متجمد، مع عمود فقري ثابت مكوّن من وحدات البورون–الأكسجين. فقط عند أعلى مستوى للنحاس يظهر قمة حيود حادة، تشير إلى بدء تكوّن بلورات صغيرة وتحدد الحد العملي لمقدار النحاس الذي يمكن للشبكة استيعابه بشكل مريح.

تمرير الضوء مع ترويضه

أظهرت الاختبارات البصرية أن هذه الزجاجات تبقى شفافة عبر النطاق المرئي لكنها تتفاعل بقوة مع الأشعة فوق البنفسجية. مع إضافة النحاس، يمتص الزجاج المزيد في نطاق الأشعة فوق البنفسجية بين حوالي 200 و350 نانومتر، حيث تقع العديد من الأطوال الموجية الضارة، بينما يبقى فجوة الطاقة البصرية الأساسية تقريباً دون تغيير حول 3.5–3.6 إلكترون فولت. هذا يعني أن النحاس يضيف “مصائد” محلية تمتص الأشعة فوق البنفسجية دون أن يحول المادة بأكملها إلى مظهر داكن أو معتم. عملياً، يمكن لواجهة نافذة مصنوعة من هذا الزجاج أن تحمي العيون والأجهزة من الإشعاع فوق البنفسجي القاسي مع البقاء واضحة ومحايدة اللون، وهو مزيج مفيد لنوافذ الحماية والأجهزة البصرية.

توصيل وتخزين الشحنة بهدوء

تحوّلات صغيرة في محتوى النحاس تغير أيضاً السلوك الكهربائي للزجاج. تُظهر القياسات عبر نطاق واسع من الترددات أن المادة تنتقل من كونها موصلاً ممتازاً إلى شبه موصل ضعيف مع زيادة محتوى النحاس. تزداد الموصلية للتيار المستمر بحوالي ثلاثة أوامر من الحجم، بشكل أساسي عبر قفز الشحنة بين مواقع النحاس والأيونات المجاورة. عند الترددات المنخفضة، يظهر الزجاج ذو أعلى محتوى نحاسي ثابتاً مكثفاً كهربائياً مرتفعاً جداً — حوالي 700 — نتيجة لتراكم الشحنات وإعادة توجيهها داخل الشبكة غير المرتبة. هذا النوع من الاستجابة واعد للمكونات التي يجب أن تخزن الطاقة الكهربائية أو تمهّد الإشارات أو تتفاعل مع حقول عالية التردد مع المحافظة على الوضوح البصري.

إيقاف أشعة غاما في مساراتها

لتقييم قدرة هذه الزجاجات على إيقاف الفوتونات عالية الطاقة، حسب الفريق معلمات الحجب الرئيسية مثل معاملات التوهين الكتلية والطولية والعدد الذري الفعال والمسافة الحرة المتوسطة وعوامل التراكم عبر نطاق طاقة واسع من 0.015 إلى 15 ميغا إلكترون فولت. تُظهر النتائج توهيناً قوياً عند الطاقات المنخفضة للفوتون يهيمن عليه الامتصاص التأثيري، مع تحول الأداء تدريجياً إلى تشتت كومبتون مع ارتفاع الطاقة. تحسين محتوى النحاس يحسّن الحماية بشكل منهجي: لدى الزجاج ذو أعلى مستوى نحاس أكبر معاملات توهين، وأقصر مسافة يقطعها الفوتون قبل التفاعل، وأصغر طبقات نصف القيمة والعُشر القيمة. بعبارة أخرى، يمكن لألواح أرق من هذا الزجاج تقليل شدة أشعة غاما إلى مستويات آمنة، مما يجعلها منافسة للحواجز التقليدية القائمة على الرصاص.

مادة واحدة، وظائف متعددة

بشكل مجمل، تُظهر النتائج أن كميات محسوبة من النحاس تسمح لزجاج CFBB بدمج ثلاث خواص مرغوبة: نقل واضح للضوء المرئي مع حجب قوي للأشعة فوق البنفسجية، واستجابة كهربائية قابلة للتعديل مع سماحية منخفضة التردد عالية جداً، وحجب فعال لأشعة غاما في مصفوفة زجاجية خالية من الرصاص. كما يحدد العمل حدّاً عملياً لمحتوى النحاس — حوالي 0.3 مول% — والذي يتجاوزُه يبدأ الزجاج بالبلورة الجزئية. للمستخدمين العاديين، الرسالة بسيطة وواضحة: أصبح بالإمكان الآن تصور مواد شبيهة بالنوافذ تسمح لنا بالرؤية والقياس داخل بيئات غنية بالإشعاع مع حماية هادئة للأشخاص والأجهزة، دون الاعتماد على الرصاص الثقيل والسام.

الاستشهاد: Abdelghany, A.M., Ramadan, R.M. & Abdelbaky, M. Copper oxide tailors multifunctional properties of fluorobarioborate glasses for optical dielectric and shielding applications. Sci Rep 16, 10902 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38663-9

الكلمات المفتاحية: زجاج حاجب للإشعاع, حماية جاما خالية من الرصاص, زجاج بوراتي مخدر بالنحاس, تخزين الطاقة العازلة, حجب الأشعة فوق البنفسجية الشفاف