أخبار ar.wedoany.com، اكتشف علماء روس في فوهة بركان في شبه جزيرة كامتشاتكا معدناً جديداً يُدعى "بيتروفيتا" (Petrovita)، حيث تُعتبر قنوات أيونات الصوديوم في بنيته البلورية ذات قيمة محتملة لتقنيات الجيل التالي من البطاريات. وقد نُشرت نتائج الأبحاث حول هذا المعدن في مجلة "مينيرالوجيكال ماغازين" (Mineralogical Magazine)، وسرعان ما جذب انتباه مجال علوم المواد بسبب تكوينه الذري الفريد.
كرّس البروفيسور ستانيسلاف فيلاتوف، من قسم علم البلورات في جامعة سانت بطرسبرغ الحكومية، أكثر من 40 عاماً لدراسة مخاريط الخبث البركاني وفتحات تدفق الحمم في شبه جزيرة كامتشاتكا، والتي تشكلت خلال ثورانين كبيرين لبركان تولباتشيك في الفترتين 1975-1976 و2012-2013. تتميز هذه المنطقة بتنوع معدني فريد، حيث تم اكتشاف عشرات المعادن الجديدة في السنوات الأخيرة، العديد منها فريد عالمياً، ويُعد "بيتروفيتا" واحداً منها.
الصيغة الكيميائية لمعدن "بيتروفيتا" هي Na10CaCu2(SO4)8، ويظهر على شكل تجمعات كروية زرقاء اللون مكونة من بلورات صفائحية تحتوي على شوائب غازية سائلة. تم تحديد مكوناته بواسطة سفيتلانا موسكاليفا من معهد البراكين والزلازل التابع لفرع الشرق الأقصى لأكاديمية العلوم الروسية. أما البنية البلورية فقد درسها أندريه شابلينسكي (خريج جامعة سانت بطرسبرغ) من معهد غريبينشيكوف لكيمياء السيليكات. سُمي المعدن باسم عالم البلورات توماس بيتروف من جامعة سانت بطرسبرغ، وهو أول من طور تقنية زراعة الملكيت بجودة الأحجار الكريمة في العالم.
ما أثار اهتمام باحثي البطاريات فوراً في "بيتروفيتا" هو التكوين النادر جداً لذرات النحاس في بنيته البلورية، حيث ترتبط بسبع ذرات أكسجين. هذا التكوين لا يوجد إلا في عدد قليل من المركبات. يتكون "بيتروفيتا" من هيكل مسامي ثلاثي الأبعاد من ذرات الأكسجين والصوديوم والكبريت والنحاس، حيث ترتبط الفراغات في الهيكل بقنوات متصلة يمكن لذرات الصوديوم الصغيرة نسبياً التحرك عبرها.
يعتقد العلماء أن حركة أيونات الصوديوم عبر القنوات البلورية، أي التنقل الأيوني، لها قيمة محتملة لتقنيات البطاريات. يعتمد عمل البطارية على حركة الأيونات بين الأقطاب الكهربائية، وكلما كانت هذه الحركة أسهل، زادت كفاءة البطارية. توفر بنية "بيتروفيتا" بالضبط الظروف التي يحاول مهندسو البطاريات إعادة إنتاجها في المختبرات: قنوات محددة، وأحجام مسام مناسبة لأيونات الصوديوم، وهيكل مستقر لا ينهار عند حركة الأيونات. يقول فيلاتوف إن النوع الهيكلي لـ"بيتروفيتا" واعد للتوصيل الأيوني، ويمكن استخدامه كمادة كاثود لبطاريات أيونات الصوديوم.
لا يعني اكتشاف "بيتروفيتا" كمعدن طبيعي إمكانية استخراجه مباشرة لاستخدامه في البطاريات، حيث يُشكل انخفاض محتوى النحاس في بنيته البلورية عقبة رئيسية. النحاس هو معدن انتقالي في الصيغة الكيميائية، يشارك في التفاعلات الكهروكيميائية لتخزين وإطلاق الطاقة في البطارية. لجعل هذه المادة فعالة ككاثود للبطارية، يجب زيادة نسبة النحاس. يشير فيلاتوف إلى أنه يمكن حل هذه المشكلة عن طريق تصنيع مركبات في المختبر لها نفس بنية "بيتروفيتا". يقترح الباحثون استخدام البنية البلورية لـ"بيتروفيتا" كنموذج، لإعادة إنتاجها في المختبر وتحسين نسب العناصر فيها.
السياق الذي ظهر فيه "بيتروفيتا" مهم لفهم أهميته الاستراتيجية. تهيمن بطاريات الليثيوم أيون على سوق تخزين الطاقة الحالي، لكن موارد الليثيوم تتركز جغرافياً، حيث توجد معظم الاحتياطيات في أمريكا الجنوبية، وتسيطر الصين على معالجتها. الصوديوم هو سادس أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، وهو متوفر في كل مكان تقريباً، ورخيص الثمن، ولا يعاني من التركيز الجغرافي الجيوسياسي الذي يعاني منه الليثيوم. إذا وصلت بطاريات أيونات الصوديوم إلى أداء مماثل لبطاريات الليثيوم، يمكن تقليل الاعتماد على معدن استراتيجي واحد في سلسلة تخزين الطاقة بأكملها بشكل كبير. تكمن عقبة بطاريات أيونات الصوديوم في إيجاد مواد كاثود فعالة، حيث أن أيونات الصوديوم أكبر من أيونات الليثيوم، وبالتالي تحتاج القنوات في مادة القطب الكهربائي إلى أن تكون أكبر. حجم قنوات "بيتروفيتا" مناسب تماماً لأيونات الصوديوم، مما يجعله نموذجاً طبيعياً لبناء مثل هذه البنية.
ليس "بيتروفيتا" المعدن الجديد الوحيد المكتشف في منطقة تولباتشيك. فقد عثر فريق فيلاتوف أيضاً على معدن "سارانتشينايتا" (Saranchinaita) في نفس المجموعة البركانية، وهو معدن ذو بنية مرتبطة بـ"بيتروفيتا"، وقد يكون ناتجاً عن تفاعل معدن السارانتشينايت مع كبريتات الكالسيوم وكبريتات الصوديوم. إحدى الفرضيات حول تكوين "بيتروفيتا" هي أن معدناً يحتوي على النيكل تم استبداله تدريجياً بسوائل حرارية مائية غنية بالمعادن، وتصف هذه الفرضية آلية تكوين تحدث ضمن نطاق درجات حرارة وضغط يمكن إعادة إنتاجه في المختبر. بالنسبة لعلم المواد، توفر هذه الاكتشافات مخططات بناء طبيعية تم اختبارها على مدى ملايين السنين، قبل وقت طويل من محاولة أي مهندس بناء هياكل مماثلة.
تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com
