مركبات مطاط السيليكون المحسّنة بيئياً المعزَّزة بخبث الحديد المجهري والنانو وثاني أكسيد التيتانيوم من أجل الاستقرار الحراري والحماية من الإشعاع

تحويل النفايات إلى حماية

تعتمد المستشفيات ومحطات الطاقة والمختبرات البحثية الحديثة على حزم من الإشعاع عالي الطاقة للتصوير والعلاج—لكن نفس هذا الإشعاع قد يكوّن خطراً على الأشخاص والمعدات إذا لم يُحجب بشكل صحيح. لعقود، كان الرصاص الثقيل والسام هو المادة الافتراضية للحجب. تستكشف هذه الدراسة نهجاً مختلفاً تماماً: مطاط سيليكون مرن محمّل بجسيمات دقيقة مصنوعة من ثاني أكسيد التيتانيوم وخبث الحديد المعاد تدويره، وهو نفاية صناعية من صناعة الصلب. النتيجة مادة أخف وأكثر صداقة للبيئة قادرة على مقاومة حرارة عالية مع إبطاء أشعة غاما الضارة بفعالية.

لماذا هناك حاجة لدرع جديد

يجب أن تقوم دروع الإشعاع بوظيفتين في آن واحد: إيقاف أو إضعاف الأشعة الواردة والبقاء عملية في البيئات الحقيقية. الرصاص ممتاز في حجب أشعة غاما لكنه سام وثقيل وذي صلابة، مما يجعله غير مناسب للملابس الواقية أو الحواجز المحمولة. لذلك توجه الباحثون نحو البوليمرات—المواد الشبيهة بالبلاستيك مثل مطاط السيليكون—التي تتميز بالمرونة والمتانة وسهولة التعامل. لكن هذه البوليمرات بمفردها دروع ضعيفة. لتعزيز أدائها، يخلط العلماء أكاسيد معادن كثيفة تتفاعل بقوة مع الإشعاع. الابتكار في هذا العمل هو استبدال المساحيق المكلفة والمنقّاة بمزيج من ثاني أكسيد التيتانيوم الشائع وخبث غني بالحديد كان سيُهدر خلاف ذلك.

بناء مطاط أذكى

حضَّر الفريق عدة نسخ من مطاط السيليكون بخلط نسب مختلفة من ثاني أكسيد التيتانيوم وخبث الحديد، بأحجام ميكروية ونانوية على حد سواء. بعد الطحن الدقيق في مطحنة كروية لإنتاج الجسيمات النانوية، دمجوا المساحيق في سيليكون سائل وقاموا بشفاء الخليط إلى أقراص صلبة. أظهرت صور المجهري الإلكتروني أن الجسيمات النانوية—عرضها عشرات المليارات من الأمتار—انتشرت بشكل أكثر تجانساً داخل المطاط مقارنة بالجسيمات الميكروية الأكبر، ممتلئة الفراغات ومقللة المسام. هذا التوزيع المتجانس مهم لأنه يعني أن الإشعاع الوارد من المرجح أن يصطدم بجسيمة كثيفة بدلاً من أن يمر عبر فراغات.

الصمود أمام الحرارة

غالباً ما تتواجد دروع الإشعاع في بيئات ساخنة، لذا اختبر الباحثون سلوك مركباتهم عند التسخين من درجة حرارة الغرفة حتى 800 °م. بدأ مطاط السيليكون النقي في التحلل عند حوالي 300 °م وفقد معظم كتلته، تاركاً بقايا صغيرة فقط. عند إضافة ثاني أكسيد التيتانيوم والخبث بحجم ميكروي، احتفظ المطاط بتماسكه عند درجات حرارة أعلى وترك مواد غير عضوية أكثر. جاء أفضل أداء من العينات المحشوة بالنانو. أظهرت هذه أحدث وقت لبدء التحلل، وأبطأ فقدان للكتلة، وأكبر كمية من "الفحم" المتبقي عند درجات الحرارة العالية. تساعد المساحة السطحية الهائلة للجسيمات النانوية في عملها كحواجز ومحفزات صغيرة، مقللة هروب الشظايا ومشكلة هيكلاً أكثر ثباتاً شبيه بالسيراميك.

مدى فعاليتها في حجب أشعة غاما

لاختبار أداء الحجب، عرض الفريق العينات لأشعة غاما من عدة مصادر نويدة شائعة عبر نطاق واسع من الطاقات. قاسوا مدى ضعف الحزمة بعد مرورها عبر كل قرص وحسبوا كميات معيارية مثل معاملات التوهين الطولية والكتلية، وكذلك السماكات المطلوبة لتقليل الإشعاع للنصف أو إلى العُشر. عبر جميع الطاقات، حسّن إضافة الحشوات الحجب بشكل كبير مقارنة بمطاط السيليكون النقي. ضمن الوصفة نفسها، أدى الانتقال من جسيمات ميكروية إلى نانوية إلى زيادة الامتصاص بشكل متسق بنحو تصل إلى 20 في المئة تقريباً، خاصة عند الطاقات المنخفضة حيث تكون العناصر ذات الأعداد الذرية العالية مثل الحديد والتيتانيوم أكثر فعالية. أظهر المركب ذو أعلى محتوى من ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي، المُعلَّم STS4، أقوى توهين واحتاج أقل سماكة لتحقيق مستوى حماية معين.

دروع أكثر خضرة للاستخدام اليومي

بعبارات بسيطة، تظهر هذه الدراسة أن مطاط السيليكون المرن المحقون بمزيج ذكي من ثاني أكسيد التيتانيوم وخبث الحديد المعاد تدويره يمكن أن يحجب أشعة غاما أفضل من العديد من الدروع البوليمرية السابقة، بينما يقاوم درجات حرارة عالية ويعيد استخدام نفايات صناعية. الجسيمات النانوية فعّالة بشكل خاص: من خلال حزم المطاط بشكل أكثر كثافة والتفاعل بقوة أكبر مع الإشعاع، تسمح لقطع أرق وأخف أن تقدّم نفس الحماية التي كانت تتطلب سابقاً مواد أكثر ضخامًة. قد تمهد مثل هذه المركبات المحسّنة بيئياً الطريق لمراييل واقية مريحة، ألواح محمولة، وعلب لأجهزة كشف الإشعاع تتجنب عيوب الرصاص وتوفّر سلامة موثوقة.

الاستشهاد: Khalil, M.M., Gouda, M.M., Moniem, M.S.A.E. et al. Eco-enhanced silicone rubber composites reinforced with micro and nano iron slag and TiO₂ for thermal stability and radiation protection. Sci Rep 16, 7839 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38733-y

الكلمات المفتاحية: حجب الإشعاع, مطاط السيليكون, نانو مركبات, إعادة تدوير النفايات الصناعية, أشعة غاما