زجاج بورات الكالسيوم والزرنيخ المنتَج بتقنية سول–جل والزجاج-السيراميكي: تأثير إذابة CrCl3 على البنية والخواص الميكانيكية وكفاءة صد أشعة غاما

نوافذ أقوى ضد الأشعة غير المرئية

تعتمد الطب الحديث والتقنيات النووية على حزم قوية من الأشعة السينية وغاما، والتي تشكل أيضاً مخاطر على المرضى والطاقم والمعدات. غالباً ما تستخدم الحمايات التقليدية الرصاص السام الثقيل أو الخرسانة الضخمة. تستكشف هذه الورقة نهجاً مختلفاً: زجاج وزجاج-سيراميكي مصمَّم خصيصاً ليحجب الإشعاع الضار مع المحافظة على الشفافية والمتانة الميكانيكية، ما يفتح الطريق لنوافذ مشاهدة أكثر أماناً وشاشات واقية ونظارات خاصة.

تصميم نوع جديد من الزجاج الوقائي

ركَّز الباحثون على زجاج بورات الكالسيوم، وهي مجموعة مواد معروفة سابقاً بوضوحها البصري واستقرارها الكيميائي. استخدموا مسار سول–جل منخفض الحرارة لصنع زجاج بتركيبة 55% أكسيد الكالسيوم و45% أكسيد البورون، مع استبدال جزئي لمكون البورون بكلوريد الكروم ثلاثي التكافؤ (CrCl₃) بنِسب تصل إلى 3 مول٪. بعد تكوين هلام وتجفيفه لتحويله إلى مسحوق ناعم، عالَجوا العينة حرارياً أولاً عند 500 °م ثم عند 700 °م للحصول على أشكال زجاجية وزجاج-سيراميكية. أتاح هذا المعالجة الدقيقة رؤية كيفية تأثير الكروم والكلور على بنية وأداء الزجاج الأساسي.

من زجاج أملس إلى زجاج-سيراميكي قوي

لاستكشاف البنية الداخلية، استخدمت المجموعة حيود الأشعة السينية والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء. عند 500 °م بقيت العينات في الغالب أمورفية، وهو نمط نموذجي للزجاج. أدى التسخين إلى 700 °م، خاصةً مع إضافة CrCl₃، إلى تحفيز نمو مناطق بلورية دقيقة من بورات الكالسيوم داخل الزجاج. أكدت صور المجهر أن العينات غير المطعمة كانت ذات أسطح أنعم وأكثر تجانساً، بينما طوَّرت العينات المطعّمة بالكروم جسيمات أكثر حدة وذات أوجه مدمجة في المصفوفة. هذه البلورات المتشكلة حديثاً، مع التحولات في شبكة البورات، زادت من كمية الوحدات الرباعية المحكومة بإحكام وجعلت المادة أكثر كثافة وتنظيماً.

حشر الذرات بإحكام لتعزيز المتانة

أظهرت القياسات أن إضافة CrCl₃ رفعت كثافة الزجاج تدريجياً من 2.57 إلى 3.11 غ/سم³ مع تقلص في الحجوم المولارية والحجم الحر، ما يعني أن الذرات حُشرت بكفاءة أكبر مع فراغات أقل. باستخدام نموذج نظري قياسي للمرونة الزجاجية، حسب المؤلفون أن الخواص الميكانيكية الرئيسية ارتفعت بشكل حاد مع زيادة محتوى الكروم. ازداد معامل يونغ، مقياس الصلابة، من نحو 66 إلى 108 غيغاباسكال، بينما تحسنت معاملات الانضغاط والقص والصلابة الدقيقة بشكل ملحوظ. أشارت قيم نسبة بواسون إلى شبكة ذات روابط متشابكة بشدة ومستقرة ميكانيكياً. مجتمعة، توحي هذه الاتجاهات بأن وحدات الكروم والمرحلة البلورية المصاحبة تقفل البنية في إطار أكثر صلابة ومتانة.

إيقاف أشعة غاما في حاجز أرفق أنحف

لتقييم الحماية الإشعاعية، استخدمت المجموعة برنامجاً متخصصاً لحساب تفاعل الزجاجات مع فوتونات في نطاق 0.015 إلى 15 ميغا إلكترون فولت، ليغطي طاقات الأشعة السينية وغاما الطبية النموذجية. مع زيادة محتوى الكروم، ارتفعت معاملات التوهين الكتلية والطولية، خاصة عند الطاقات المنخفضة حيث تسود الامتصاص الضوئي الإلكتروني. في الوقت نفسه، انخفضت طبقة نصف القيمة وطبقة العُشر ومتوسط المسار الحر: عند 0.04 ميغاء إلكترون فولت، انخفضت طبقة نصف القيمة من 0.336 سم في الزجاج غير المطعَّم إلى 0.252 سم في العينة الأعلى تطعيمًا. بعبارة بسيطة، يلزم كمية أقل من المادة لخفض شدة الإشعاع إلى النصف. عند المقارنة مع أنواع خرسانة متخصصة وزجاجات بوراتية أخرى، قدمت التركيبة الغنية بالكروم توهيناً أعلى وحاجة إلى حاجز أرق، مع الاحتفاظ بشكل زجاجي وإمكانية الشفافية.

نحو حواجز شفافة خالية من الرصاص

بشكل عام، تُظهر الدراسة أن إدخال كميات معتدلة من كلوريد الكروم إلى زجاج بورات الكالسيوم يمكن أن يزيد في الوقت نفسه الكثافة والمتانة الميكانيكية وقوة صد أشعة غاما. التركيبة ذات الأداء الأفضل، مع 3 مول٪ CrCl₃، تجمع بين صلابة هيكلية قوية وقدرة حاجزة متفوقة مقارنةً بعدة مواد زجاجية وخرسانية حالية. للحواجز غير الحاملة مثل نوافذ المشاهدة واللوحات الواقية أو النظارات المتخصصة، قد توفر هذه الحواجز الزجاجية الخالية من الرصاص بديلًا أخف وزنًا وأكثر أمانًا ومرونة بالمقارنة مع المواد التقليدية.

الاستشهاد: Alsairy, N., Madshal, M.A. & Althbiti, A. Sol–gel synthesized calcium borate glass and glass–ceramics: effect of CrCl₃ doping on structure, mechanics, and gamma-ray shielding efficiency. Sci Rep 16, 10977 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45812-7

الكلمات المفتاحية: زجاج للحماية من الإشعاع, حماية من أشعة غاما, زجاج بورات, تطعيم بالكروم, زجاج-سيراميكي