وفي روسيا، اقترحوا تقنية لإنتاج زجاج الكوارتز فائق الشفافية بدون الكلور

وبدون زجاج الكوارتز، فإن التشغيل الدقيق للأقمار الصناعية، وأشعة الليزر عالية الطاقة، والإلكترونيات الدقيقة الحديثة أمر مستحيل. يتم استخدامه في صناعة نوافذ السفن الفضائية، والعدسات في معدات طباعة الرقائق الدقيقة، والعناصر الحساسة لجيروسكوبات الملاحة – وهي نفس الأجزاء المسؤولة عن التوجيه في الفضاء. ما هو سر هذه المادة؟ زجاج النوافذ العادي مصنوع من خليط من الرمل والصودا والجير. تتم إضافة الصودا والجير لتقليل تكلفة الإنتاج: فهي تقلل من درجة الانصهار وتعطي قوة للمادة. لكن هذه الإضافات والشوائب الحتمية هي التي تحرم الزجاج من مقاومة الحرارة والشفافية تجاه الأشعة فوق البنفسجية والقدرة على الاحتفاظ بشكله في ظل التغيرات في درجات الحرارة. زجاج الكوارتز له بنية مختلفة – فهو عبارة عن أكسيد السيليكون النقي تقريبًا. نفس الرمال، تمت إزالة كل شيء غير ضروري منه وذاب عند درجة حرارة ما يقرب من ألفي درجة. بفضل هذا النقاء، يمكنه تحمل التسخين فوق ألف درجة ولا يخفف، حتى الأشعة فوق البنفسجية القاسية تمر بحرية ولا يتغير حجمها تقريبًا عند التسخين والتبريد. تحدد هذه الخصائص الثلاث بشكل مباشر مكان وكيفية استخدام المادة. يحتوي القمر الصناعي على عدة نوافذ – وهي في الأساس نوافذ زجاجية كوارتز مدمجة في الجسم. يمكن لأحدهما أن يواجه الشمس الحارقة، والآخر – في الفراغ الجليدي للفضاء، في حين أن لكل منهما سطح واحد ملامس للفضاء المفتوح، والآخر مع مقصورة مغلقة حيث يتم الحفاظ على درجة الحرارة العادية. يؤدي اختلاف مئات الدرجات إلى كسر الزجاج العادي أو جعله غائما، لكن زجاج الكوارتز يبقى سليما وشفافا. يحتوي الليزر القوي على عدسات ونوافذ واقية مصنوعة من زجاج الكوارتز الذي يمر من خلاله الشعاع. المواد العادية تحت مثل هذا الإشعاع سوف ترتفع درجة حرارتها ويتغير شكلها وتثني الشعاع – مثل مرآة ملتوية في بيت المرح. زجاج الكوارتز لا يمتص الضوء ولا يسخن ولا يتشوه. يظل سلسًا وشفافًا تمامًا، لذلك يصل الليزر إلى الهدف. تحتوي أداة الملاحة الخاصة بالقمر الصناعي على قطعة صغيرة من زجاج الكوارتز تهتز. ومهمتها هي التأرجح بتردد ثابت، مثل الشوكة الرنانة. إذا تغير شكله ولو قليلاً بسبب التسخين، فسيتم فقدان تردد التذبذب. لن يحدد الجهاز موقعه بدقة بعد الآن، وسيفقد القمر الصناعي اتجاهه في الفضاء. هذه المادة لا يتغير شكلها بفعل الحرارة، فيبقى الإيقاع دون تغيير، وتعمل الملاحة دون انقطاع. لسنوات عديدة، لم يكن لدى سوى عدد قليل من البلدان – الولايات المتحدة الأمريكية وألمانيا واليابان – التكنولوجيا اللازمة لإنتاج زجاج الكوارتز عالي النقاء. بالنسبة لروسيا، فإن إنتاجها لمثل هذه المواد يمثل فرصة لضمان الاستقلال التكنولوجي حيث لا يمكن تجنب ذلك: في صناعة الفضاء، وتكنولوجيا الليزر، والإلكترونيات الدقيقة، واتصالات الألياف الضوئية، والطب، وصناعة الأدوات العلمية. ومع ذلك، فإن التكنولوجيا الأجنبية التقليدية، التي تهيمن اليوم على السوق العالمية وتحدد معايير الجودة، لها عيوبها. أولاً، يعتمد على المواد التي تحتوي على الكلور، والتي تنبعث منها غازات سامة أثناء الإنتاج. وهذا يجبر المصانع على تركيب أنظمة تنقية الهواء باهظة الثمن، وتظل العملية نفسها غير آمنة للبيئة. ثانيًا، ليس من السهل الحصول على زجاج ذو شفافية عالية للأشعة فوق البنفسجية باستخدام الطريقة التقليدية: حتى مع التحكم الدقيق، يمكن أن تبقى فراغات صغيرة وعدم تجانس في المادة. إنها تشتت الضوء، ويفقد الزجاج شفافيته على وجه التحديد في هذا النطاق الذي يعد بالغ الأهمية للفضاء والليزر والالكترونيات الدقيقة. للتعامل مع هذا، يضطر المصنعون إلى استخدام المواد الخام فائقة النقاء وطرق التنقية المعقدة. اقترح العلماء في جامعة بيرم بوليتكنيك تقنية جديدة تحل هاتين المشكلتين. إنه منزلي بالكامل ولا يستخدم الكلور ويسمح لك بالحصول على زجاج ذو نفاذية عالية للأشعة فوق البنفسجية. تم نشر المقال في المجلة العلمية الدولية Ceramics International. اقترح الباحثون إضافة خطوة وسيطة عند صهر زجاج الكوارتز، وهي التعرض لدرجة حرارة عالية في فرن مفرغ إلى درجة حرارة تليين المادة. خلال هذا الوقت، تتشكل قشرة بلورية قوية على سطح كل حبة رمل – الكريستوبالايت، وهو نوع خاص من الكوارتز. لماذا هذا ضروري؟ عندما يتم تشكيل الكريستوباليت، يتم تشكيل بنية منظمة للمادة ويتم إزاحة الأكسجين الزائد. بعد ذلك، يتم صهر المواد الخام ويتم الحصول على المنتج النهائي. تتم الدورة بأكملها في غرفة مفرغة محكمة الغلق، بدون الكلور أو المواد السامة الأخرى. ثم تم قياس نفاذية الزجاج النهائي. تم إيلاء اهتمام خاص لمؤشرين رئيسيين: الشفافية في الأشعة فوق البنفسجية وفي المنطقة المرئية من الطيف. – أفضل عينة كانت لها نفاذية في منطقة الأشعة فوق البنفسجية من الطيف بنسبة تزيد عن 80%. هذا هو مستوى أفضل نظائرها الأجنبية، أي أن زجاج الكوارتز يظل شفافًا تمامًا تقريبًا، “يشرح إيفان ريابوسوف، الأستاذ المشارك في قسم علوم المعادن والمعالجة الحرارية والليزر للمعادن في PNIPU، مرشح العلوم التقنية. المسح المجهري الإلكتروني لمسحوق أكسيد السيليكون بعد المعالجة الحرارية 1450 (أ)، 1500 (ب)، 1600 (ج) و 1700 (د) / © I.V. Ryaposov، الخدمة الصحفية لـ PNIPU يعد اختيار درجة الحرارة والوقت أمرًا بالغ الأهمية للحصول على النسبة المطلوبة من المراحل البلورية وغير المتبلورة، والتي تعطي الزجاج أقصى نفاذية عند ذوبانه. ويضيف إيفان ريابوسوف: “لقد سمح لنا هذا عمليًا بالحصول على مواد ليست أقل جودة من نظائرها العالمية”. وهكذا، اقترح علماء بيرم بوليتكنيك بديلاً صديقًا للبيئة لإنتاج زجاج الكوارتز فائق النقاء بجودة مماثلة لقادة العالم. يفتح هذا التطور الطريق أمام إنشاء مواد محلية لصناعة الفضاء وتكنولوجيا الليزر والالكترونيات الدقيقة – دون النظر إلى الموردين الأجانب ودون الإضرار بالبيئة. في المستقبل، يمكن توسيع نطاق التكنولوجيا للإنتاج الصناعي للزجاج البصري للعامة. الأغراض.