مستقبل خالي من الرصاص

ابتكر علماء معهد وايزمان للعلوم مادة سيراميكية جديدة قد تحل محل المكونات القائمة على الرصاص في عدد كبير من الأجهزة الإلكترونية - من الهواتف المحمولة إلى الطابعات

"أمر جيد جدًا لدرجة يصعب تصديقها"، كان هذا هو رد الفعل الأولي لمجموعة أبحاث البروفيسور إيجور لوبوميرسكي في معهد وايزمان للعلوم على رؤية مادة السيراميك التي صنعوها في مختبرهم. وتنتمي المادة الجديدة إلى عائلة معروفة تُستخدم في العديد من التقنيات ولكنها تسبب صداعًا بيئيًا كبيرًا، نظرًا لأن المواد التي تنتمي إليها تحتوي عادةً على الرصاص، وهو أحد أكثر المعادن سمية في عالمنا. ومن المثير للدهشة أن المادة التي صنعوها لا تقصر في أدائها عن المواد المستخدمة في الصناعة اليوم، وهذا دون أن تحتوي على أي مكونات سامة أو ملوثة.

العائلة المعنية هي عائلة المواد الكهروضغطية أو المواد الكهربائية - المواد التي تتشوه تحت تأثير المجال الكهربائي. يتم استغلال هذا التشويه في عدد لا يحصى من الأجهزة الإلكترونية لإنشاء محركات صغيرة. على سبيل المثال، في الهواتف المحمولة، يتم استخدام التشوه الصغير الناتج عن الجهد الكهربائي لبدء شحن البطارية أو لتحريك عدسة الكاميرا ووضعها في موضع التركيز؛ في الطابعات الصناعية، تُستخدم هذه المواد لتحرير الحبر بشكل مُقاس ومُحكم.

غالبًا ما تكون المكونات المصنوعة من هذه المواد صغيرة جدًا بحيث لا تستحق إعادة التدوير، وبالتالي تجد أطنانًا من الرصاص طريقها إلى مدافن النفايات. لقد تم التخلص التدريجي من التطبيقات التي تحتوي على الرصاص في البلدان المتقدمة، ولكن لا يزال مسموحًا باستخدام هذه المواد نظرًا لأهميتها وعدم وجود بدائل مناسبة. لتوضيح ذلك، تبلغ قيمة السوق العالمية للمواد الكهرضغطية أكثر من 20 مليار دولار سنويًا، وهي مستمرة في النمو.

لم تكن المحاولات السابقة التي قام بها العلماء في جميع أنحاء العالم لإنتاج مواد خالية من الرصاص لهذه الاستخدامات ناجحة تمامًا: فالمواد التي أنتجها كانت إما نشطة كيميائيًا للغاية أو معقدة للغاية في التصنيع. وفي المقابل، فإن المادة الجديدة المنتجة في مختبرات معهد وايزمان للعلوم - أكسيد السيريوم بالإضافة إلى نحو عشرة في المئة من أكسيد الزركونيوم - لا تميل إلى إنتاج تفاعلات كيميائية مع بيئتها كما أنها سهلة الإنتاج. علاوة على ذلك، قد تكون أكبر ميزة لها هي كفاءة استخدام الطاقة: فهي تستهلك طاقة أقل من المواد الموجودة للقيام بنفس العمل. إذا لم يكن كل هذا كافيًا، فإن المواد المصدرية له أيضًا رخيصة ومتوفرة: كل من السيريوم والزركونيوم شائعان جدًا في القشرة الأرضية ويتم إنتاجهما بالفعل في المناجم حول العالم لاستخدامات صناعية مختلفة. ويستخدم أكسيد السيريوم في شكل مسحوق، على سبيل المثال، لتلميع العدسات وفي المحولات الحفازة - وهي أجهزة لتقليل انبعاثات المركبات.

وبفضل كل هذا، قد تكون المادة الخزفية الجديدة بديلاً ناجحًا وصديقًا للبيئة لهذه المواد، ولكن عندما بدأت الأبحاث منذ أكثر من عقد من الزمن، لم يحلم البروفيسور لوبوميرسكي أبدًا بأي تطبيقات صناعية. اكتشفت مجموعته البحثية في ذلك الوقت أنه في ظل ظروف معينة، لا يتصرف أكسيد السيريوم كما هو متوقع: اكتشف العلماء في هذا الأكسيد تأثيرًا كهربائيًا أكبر بمئة مرة مما تنبأت به النظرية. وعلى الرغم من أنه كان تأثيرًا صغيرًا وغير عملي بشكل واضح، إلا أن الاكتشاف كان مفاجئًا، واستمرت المجموعة في التحقيق فيه.

ثم منذ حوالي ثلاث سنوات، أجرى مكسيم فيرنيك، طالب الدكتوراه في مجموعة البروفيسور لوبوميرسكي، تجربة أسفرت عن نتائج صادمة. وفي سلسلة من التجارب قام بدمج ذرات ثلاثية التكافؤ في أكسيد السيريوم، أي ذرات تحتوي على ثلاثة إلكترونات في غلافها الخارجي. عندما قام بتعريض المواد لمجال كهربائي، تم اكتشاف ظاهرة مثيرة للاهتمام لها قوانين واضحة: كلما كانت الذرات المدخلة أصغر، كلما زاد تشوه المادة. في ضوء النتائج، كان فيرنيكي فضوليًا لمعرفة ما سيحدث إذا أدخل ذرات صغيرة في الأكسيد قدر الإمكان، ولكن في النهاية نفدت منه الذرات ثلاثية التكافؤ التي يمكن دمجها مع السيريوم. لذلك قرر أن يحاول إدخال ذرات أكسيد الزركونيوم بدلاً من ذلك، على الرغم من أنها تحتوي على أربعة إلكترونات في الغلاف الخارجي وليس ثلاثة. أذهلته النتيجة وأذهلت بقية المجموعة: التشوه في المادة التي تم إنشاؤها لم يرتفع إلى أعلى مستوى كما في سلسلة التجارب السابقة - بل قفز 200 مرة.

يقول البروفيسور لوبوميرسكي: "على مدى عقد من الزمن قمنا بدراسة ظاهرة كانت تعتبر عديمة الفائدة تماما، وقمنا بذلك بدافع الفضول العلمي فقط". "وهنا أدى الفضول إلى ظهور مادة ذات أداء لا يقل عن أفضل المواد المستخدمة حاليًا في الصناعة."

إلى جانب فهم خصائص المادة الجديدة في سياق التطبيقات المحتملة، يواصل الباحثون محاولة فهم سبب عدم سلوك أكسيد السيريوم وفقًا للنظرية. يقول البروفيسور لوبوميرسكي: "هذا حيوان لم نلتقي به من قبل في حديقة الحيوان لدينا".

منذ اكتشاف هذه الظاهرة غير العادية لأول مرة، قامت مجموعة البروفيسور لوبوميرسكي بالتحقيق فيها بالتعاون مع البروفيسور أناتولي فرانكل من جامعة ستوني بروك، أحد الخبراء الرائدين في العالم في التحليل الطيفي EXAFS. ومؤخرًا انضم أيضًا البروفيسور يو كي من جامعة براون إلى الفريق، لكن المهمة لا تزال بعيدة عن الكمال. ويقول البروفيسور لوبوميرسكي: "ما زلنا لا نفهم هذه الظاهرة بشكل كامل، ولكن هذا هو بالضبط ما يجعل البحث مثيرا للاهتمام".

قاد البحث فيرنيك مع الدكتور بويوان شو من جامعة براون، ومن بين مؤلفي المقال أيضًا جونينج لي، وإيلاد جابر، والدكتور آلان فيشتل، والدكتور ديفيد أهارا، وسيرجي خودوروف من قسم الكيمياء والمواد الجزيئية بالمعهد. العلوم والدكتور ر. براهيلد روث من جامعة ستوني بروك.

#أرقام_علمية

• الرصاص هو ثاني أكثر المعادن سمية في عالمنا بعد الزرنيخ.
• يشكل الرصاص في الدم خطراً على الصحة بأي جرعة، لكن مستويات 3.5 ميكروغرام لكل عُشر لتر من الدم لدى الأطفال تتطلب عناية طبية فورية.
• وفقًا لبيانات المراكز الأمريكية لمكافحة الأمراض والوقاية منها (CDC)، فإن مستويات الرصاص في الدم وحتى أعلى منها تميز 2.5٪ من الرضع الذين تتراوح أعمارهم بين 1 إلى 5 سنوات في الولايات المتحدة.