تحليل مقارن لخصائص درع الإشعاع للغاما والنيوترونات لجسيمات Gd2O3 النانوية داخل مركبات HDPE المعالجة بشعاع أيونات الأرجون

لماذا تهم الدروع الأكثر أماناً

من أجهزة المسح الطبية إلى محطات الطاقة النووية، تعتمد العديد من التقنيات الحديثة على إشعاعات مكثفة. تلك الإشعاعات نفسها، المكوّنة من أشعة غاما عالية الطاقة ونيوترونات متطايرة، يمكن أن تضر الأنسجة الحية والبيئة إذا لم تُحتَوى بعناية. كان الخرسانة الثقيلة والرصاص لوقت طويلا المواد الأساسية للحجب، لكنهما ثقيلان وصُمِمَا وصلبان ويصعب التعامل معهما أو التخلص منهما. تستكشف هذه الدراسة بديلاً أخف وزناً وأكثر مرونة: بلاستيك محشو بجسيمات دقيقة من أكسيد معدن أرضي نادر يمكنه حجب كل من أشعة غاما والنيوترونات، ويمكن تعزيز أدائه أكثر باستخدام تيار من الذرات المشحونة.

بناء درع بلاستيكي أذكى

يبدأ الباحثون ببولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، وهو بلاستيك شائع ومتينا يُستخدم بالفعل حول المفاعلات لأنه غني بالهيدروجين، المفيد في إبطاء النيوترونات السريعة. ثم يخلطون فيه جسيمات نانومترية من أكسيد الغادولينيوم (Gd2O3)، مركب يحتوي على معدن أرضي نادر ثقيل معروف بقدرته الاستثنائية على امتصاص النيوترونات والتفاعل القوي مع أشعة غاما. باستخدام عملية المِذيب الهلامي (sol–gel) والتحريك الدقيق والموجات فوق الصوتية، يُحضّرون صفائح بلاستيكية رقيقة تحتوي كميات مختلفة من هذه الجسيمات النانوية، تتراوح من بضع نسب مئوية حتى 40 بالمئة بالوزن. صممت هذه النانو مركبات المرنة لتجمع بين أفضل صفات المكونين: خفة ومعالجة البلاستيك مع قدرة إيقاف لمركب أكسيدي كثيف ويتوق إلى النيوترونات.

إلقاء نظرة داخل المادة الجديدة

لفهم كيفية بناء هذه الدروع على المستوى المجهري، يفحص الفريق هيكلها الداخلي وكيميائها باستخدام عدة أدوات قياسية. تكشف حيود الأشعة السينية أن أكسيد الغادولينيوم يشكل بلورات محددة جيدًا يبلغ حجمها بضعة عشرات من المليارات من المتر، وأن إضافتها لا يدمر البنية البلورية الأساسية للبلاستيك نفسه. تُظهر المجاهر الإلكترونية أن الجسيمات النانوية موزعة بشكل متساوٍ إلى حد ما في HDPE، دون تكتلات، خاصة عند الأحمال الأعلى. تؤكد تقنيات أخرى على العناصر الذرية الموجودة وكيف تتغير الروابط الكيميائية في البلاستيك عند إضافة الجسيمات. معًا، تشير هذه القياسات إلى أن أكسيد الغادولينيوم مدمج جيدًا في البوليمر، مما يمهد الطريق لتفاعل فعال مع الإشعاع الوارد.

استخدام شعاع أيوني كأداة ضبط

في خطوة ثانية، يقصد العلماء قصف بعض العينات بشعاع من أيونات الأرجون منخفضة الطاقة، تيار من ذرات الغاز الموجبة الشحنة. تُظهر المحاكاة الحاسوبية والقياسات البنيوية أن هذه المعالجة تهز الذرات في المركب، فتُنشئ عيوبًا دقيقة، تعيد تنظيم مناطق البلورة قليلًا، وتغير المجموعات الكيميائية على السطح. تغييرات طفيفة كهذه تغير مدى إحكام حزم سلاسِل البلاستيك وكيف تستقر الجسيمات النانوية داخلها. تكشف الاختبارات الميكانيكية عن مقايضة: يصبح البلاستيك أقل صلابة بعض الشيء لكنه أكثر استطالة، خاصة عند وجود أكسيد الغادولينيوم، ما قد يكون مفيدًا للحجب القابل للارتداء أو المرن. والأهم أن المؤلفين يجدون أن هذه التغيرات المحفزة بالأيونات تؤثر أيضًا على كيفية تفاعل المادة مع الإشعاع.

تعريض الدروع للاختبار

لقياس الأداء في العالم الواقعي، يُطلق الفريق أشعة غاما ذات طاقات مختلفة على العينات ويحصي عدد الفوتونات التي تمر خلالها. يجدون أنه حتى بدون معالجة أيونية، يؤدي إضافة أكسيد الغادولينيوم إلى تحسين قدرة الإيقاف بشكل كبير، خصوصًا عند الطاقات الفوتونية الأقل حيث تكون الذرات الثقيلة أكثر فعالية. على سبيل المثال، عند طاقة مستخدمة شائعة، يُخفض مركب يحتوي على 30 بالمئة من أكسيد الغادولينيوم مرور أشعة غاما بنسبة تقارب 175 بالمئة مقارنةً بـ HDPE النقي. تتطابق الأرقام التجريبية جيدًا مع الحسابات الحاسوبية المعتمدة، مما يعزز الثقة في النتائج. عند تعريض نفس العينات لحقل نيوتروني مختلط، يكون الاتجاه مشابهًا: مزيد من الغادولينيوم يعني احتمالًا أعلى لالتقاط النيوترون المار. بعد تشعيع الأرجون الأيوني، يتحسن كل من حجب الغاما والنيوترون في كثير من الحالات. لبعض التركيبات، تقفز القدرة الفعالة على حجب النيوترونات بنسبة 70 إلى أكثر من 80 بالمئة مقارنةً بالمادة غير المعالجة، ويعزى ذلك على الأرجح إلى أن العيوب المحفزة بالأيونات والمناطق المعاد ترتيبها تخلق مواقع إضافية يمكن عندها امتصاص أو تشتت النيوترونات وإشعاعاتها الثانوية.

ماذا يعني هذا للحماية اليومية

بشكل عام، تُظهر الدراسة أن وصفة بسيطة نسبياً — خلط جسيمات أكسيد الغادولينيوم النانوية في بلاستيك مألوف، ثم ضبط البنية بشعاع أيوني مسيطر عليه — يمكن أن تنتج صفائح خفيفة تحجب أشعة غاما والنيوترونات الضارة بفعالية أكبر من البلاستيك الأساسي وحده. ونظرًا لأن HDPE مرن وسهل التشكيل، يمكن تشكيل مثل هذه النانو مركبات إلى معدات حماية شخصية، حواجز متحركة، أو مواد بطانة للمعدات والغرف حيث يوجد الإشعاع. كما تظهر الدراسة أن المعالجة الأيونية تُعد مقبضًا واعدًا لضبط المظهر الميكانيكي وأداء الحجب في المواد البوليمرية، مما يساعد على تقريب حماية إشعاعية أكثر أمانًا وراحة للاستخدام اليومي.

الاستشهاد: Shabib, M., Tawfik, E.K., Reheem, A.M.A. et al. A comparative analysis of gamma and neutron radiation shielding properties of Gd₂O₃ nanoparticles within HDPE composites irradiated with argon ion beam. Sci Rep 16, 8954 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40153-x

الكلمات المفتاحية: حجب الإشعاع, أشعة غاما, نيوترونات, نانو مركبات بوليمرية, أكسيد الغادولينيوم