5 دقیقه
کریستال جدیدی که اکسیژن «تنفس» میکند رونمایی شد
یک تیم چندملیتی از کره و ژاپن یک اکسید فلزی بلوری مهندسی کرده‌اند که میتواند در دماهای نسبتاً پایین به طور مکرر اکسیژن را آزاد و جذب کند؛ قابلیتی که به «تنفس» شباهت داده شده است. این ماده که از استرانسیم، آهن و کبالت تشکیل شده است، تبادل اکسیژن قابل بازگشتی انجام میدهد بدون اینکه ساختار بلوری فرو بریزد و این راه را برای دستگاههای انرژی پاک و الکترونیک تطبیقی باز میکند. منبع تصویر: پروفسور Hyoungjeen Jeen از دانشگاه پوسان، کره
این کشف که به رهبری پروفسور Hyoungjeen Jeen (گروه فیزیک، دانشگاه پوسان) و با همکاری پروفسور Hiromichi Ohta (پژوهشکده علوم الکترونیک، دانشگاه هوکایدو) انجام شده، در Nature Communications (۱۵ اوت ۲۰۲۵) منتشر شده است. تیم نشان داد که این اکسید هنگام گرم شدن متوسط در یک محیط گازی ساده اکسیژن آزاد میکند و سپس با تغییر شرایط، اکسیژن را دوباره جذب میکند — فرایندی کاملاً برگشتپذیر که طی چرخههای متعدد پایدار باقی می‌ماند.
پیش‌زمینه علمی و اهمیت کنترل اکسیژن
کنترل محتوای اکسیژن در مواد جامد برای چندین فناوری حیاتی است. در سلولهای سوختی اکسید جامد (SOFC)، حرکت یون اکسیژن از طریق اکسیدهای فلزی امکان تبدیل کارآمد هیدروژن به برق با انتشار کم را فراهم میکند. ترانزیستورهای حرارتی — دستگاه‌هایی که جریان گرما را مشابه نحوه سوئیچ جریان الکتریکی در ترانزیستورهای الکترونیکی کنترل می‌کنند — نیز به موادی وابسته‌اند که رسانایی حرارتی‌شان با استوکیومتری اکسیژن تغییر می‌یابد. پنجرههای هوشمند که به‌طور پویا انتقال حرارت را تغییر می‌دهند می‌توانند از مکانیزم‌های پاسخ‌دهنده به اکسیژن مشابه برای سازگاری با شرایط آب‌و‌هوا و کاهش مصرف انرژی ساختمان استفاده کنند.
چه چیزی این کریستال را متمایز میکند؟
مواد تبادل‌کننده اکسیژن پیشین اغلب نیاز به دماهای بسیار بالا داشتند یا پس از چند چرخه تخریب می‌شدند. اکسید جدید استرانسیم–آهن–کبالت برجسته است زیرا تنها یون‌های کبالت در فرایند آزادسازی اکسیژن کاهش می‌یابند و بازآرایی ایجادشده ساختار بلوری جدید ولی پایدار تولید میکند به‌جای آنکه شبکه بلوری را نابود سازد. مهم‌تر اینکه، بازگرداندن اکسیژن ساختار اولیه کریستال را بازیابی میکند و این نشان‌دهنده بازگشت‌پذیری واقعی است — که نیاز کلیدی برای کاربردهای عملی است.
پیامدها، کاربردها و نکات برجسته تجربی
پیامدهای کلیدی شامل موارد زیر است:
- انرژی پاک: مواد بهبود یافته برای مدیریت اکسیژن می‌توانند کارایی و دوام سلولهای سوختی اکسید جامد را افزایش داده و دماهای عملیاتی را کاهش دهند.
- دستگاههای حرارتی هوشمند: موادی که انتقال حرارت را با محتوای اکسیژن تغییر می‌دهند می‌توانند منطق حرارتی و عایق‌بندی تطبیقی را ممکن سازند.
- الکترونیک و مصالح ساختمانی: تبادل اکسیژن برگشتپذیر میتواند ایده‌های جدید حافظه‌های غیر فرّار، حسگرها و پوششهای معماری صرفه‌جو در انرژی را امکان‌پذیر کند.
این پژوهش ترکیبی از سنتز دقیق اکسید استرانسیم–آهن–کبالت، آزمایش‌های گرمادهی در محیط گازی کنترل‌شده و تعیین ساختار که تغییرات ارزش بار یون‌ها و فازهای بلوری را دنبال می‌کرد، بوده است. تیم تأکید میکند که ماده در چرخههای متعدد سالم می‌ماند و در شرایط ملایم‌تر و عملیاتی‌تر نسبت به بسیاری از نامزدهای قبلی کار میکند.
«مثل این است که به کریستال ریه داده‌ایم؛ میتواند طبق فرمان اکسیژن را استنشاق و بازدم کند،» می‌گوید پروفسور Jeen و ویژگی نوآوری کشف را خلاصه میکند. پروفسور Ohta اضافه میکند، «این گامی مهم به سمت مواد هوشمندی است که می‌توانند در زمان واقعی خود را تنظیم کنند.» کار آن‌ها هم بینش‌های بنیادی در شیمی اکسایش و کاهش فلزات انتقالی را نشان میدهد و هم پتانسیل تکنولوژیک واضحی دارد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر Elena Park (دانشمند مواد مستقل، فرضی) اظهار می‌دارد: «تبادل اکسیژن برگشتپذیر در دماهای پایین در یک اکسید ساختاری مقاوم نادر است. اگر توسعه مقیاس این خواص را حفظ کند، این ماده میتواند دماهای کاری سلولهای سوختی را کاهش دهد و کلیدهای حرارتی فشرده را ممکن سازد. گام بعدی آزمایش چرخههای بلندمدت تحت شرایط مرتبط با کاربرد و یکپارچهسازی نسخههای لایهنازک در دستگاه‌ها است.»
نتیجه‌گیری
اکسید استرانسیم–آهن–کبالت گزارش‌شده توسط پژوهشگران کره و ژاپن نشان‌دهنده تبادل اکسیژن برگشتپذیر در دماهای پایین است که یکپارچگی بلوری را حفظ میکند — عملاً به ماده رفتار «تنفسی» کنترل‌شدنی میدهد. این ترکیب از پایداری، بازگشت‌پذیری و شرایط عملیاتی مناسب، آن را به نامزدی امیدوارکننده برای سلولهای سوختی، ترانزیستورهای حرارتی، پنجرههای تطبیقی و سایر فناوری‌های هوشمند و کممصرف انرژی تبدیل میکند. آزمایش‌های مداوم، توسعه مقیاس و یکپارچهسازی در دستگاه‌ها تعیین خواهد کرد که این پیشرفت آزمایشگاهی چقدر سریع به کاربردهای تجاری یا صنعتی تبدیل میشود.
منبع: sciencedaily
.avif)
نظرات