التصنيف: كيمياء

تُستخدم العديد من التقنيات الكهروكيميائية لقياس النشاط الكهروكيميائي للمواد المختلفة. قد تكون التجارب لقياس التيار الناتج عند تطبيق مدى واسعة من الجهد الكهربي أو قياس الجهد الكهربي الناتج من تطبيق تيار كهربي على القطب. في هذا المقال، سنناقش الخلية المستخدمة لمثل هذه التقنيات، ألا وهي الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب The 3-electrode cell.

مم تتكون الخلية الكهروكيميائية ثلاثية الأقطاب؟

الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب هي عبارة عن دائرة كهربية من ثلاثة أقطاب متصلة معًا حيث يتم التحكم بها من خلال جهاز التحكم في الجهد -potentiostat. ولذلك تُستخدم لقياس النشاط الكهروكيميائي للأقطاب (نصف خلية). تتكون الخلية من ثلاثة أقطاب:

 1. قطب العمل- Working Electrode (WE)

قطب العمل هو القطب المستخدم لدراسة المادة النشطة كهروكيميائيًا. يتم تطبيق جهد ثابت أو مدى واسع من الجهد الكهربي على قطب العمل للتحاليل الكهروكيميائية المختلفة لدراسة نشاط وتفاعلات المادة محل الدراسة. نتيجة لذلك تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال عند تطبيق الجهد/ التيار الكهربي. يتكون قطب العمل غالبًا من طبقات من المواد الصلبة مُرسبة على ألواح معدنية مثل النحاس أو الألمونيوم–  Al or Cu sheet أو الكربون الزجاجي- Glassy Carbon (GC) أو قطب الزئبق المتساقط – Dropping Mercury Electrode (DME) لدراسة المحاليل السائلة.

2. القطب المرجعي- Reference Electrode (RE)

يلعب القطب المرجعي دورًا هامًا كمرجع في القياس والتحكم في الجهد الكهربي للقطب العامل، دون تمرير أي تيار حيث أن القطب المرجعي له جهد ثبات. لذلك يتم قياس وتطبيق الجهد الكهربي في الدائرة الكهربية بناء على جهد القطب المرجعي. علاوة على ذلك، تختلف قيمة جهد القطب المرجعي باختلاف المادة المكونة للقطب لذا من الضروري أن تكون الأقطاب المرجعية مستقرة كيميائيًا مما يحافظ على قيمة الجهد لفترة طويلة في الأوساط المختلفة. على سبيل المثال، من أهم الأقطاب المرجعية المُستخدمة في الكيمياء الكهربية:

3. القطب المساعد- Counter Electrode (CE)

تتركز أهمية القطب المساعد في الخلية ثلاثية الأقطاب في غلق الدائرة الكهربية وذلك عن طريق تطبيق جهد معاكس للجهد المُطبَّق على جهد قطب العمل. بينما يتم أكسدة القطب العامل، يحدث اختزال على القطب المساعد والعكس صحيح. هكذا يتم غلق الدائرة الكهربية وغلق مسار حركة الإلكترونات مما يسبب مرور تيار كهربي يمكن قياسه وتحليله لدراسة المادة الفعالة. لذلك يكون الدور الأهم للقطب المساعد هو تمرير كل التيار اللازم لموازنة التيار الذي لوحظ في القطب العامل.

من الجدير بالذكر أنه يتم استخدام أقطاب مساعدة مصنوعة من مواد موصلة للكهرباء لكنها خاملة كهروكيميائيًا كالذهب والبلاتينوم حتى لا يحدث أي تداخل للتفاعلات الكهروكيميائية الخاصة بالمادة الفعالة. كما من الضروري استخدام قطب مساعد بمساحة سطح كبيرة نسبيًا مقارنة بمساحة سطح قطب العمل للتأكد من تكافؤ سرعات التفاعلات الكهروكيميائية على القطبين.

ما أهمية الخلية الكهروكيميائية ثلاثية الأقطاب؟

تتمثل أهمية الخلية المُعدة من ثلاثة أقطاب في إمكانية عزل التفاعل الحادث عند القطب الكهربي العامل فقط. من أجل دراسة تفاعلات المادة الفعالة، يلزم عزل التفاعل عند القطب الكهربي العامل، وذلك عن طريق إدخال القطب المرجعي، أي القطب الثالث. لذلك يحتوي هذا القطب على جهد كهربي محدد ولا يمر أي تيار من خلال القطب المرجعي أثناء القياسات بحيث يكون الجهد ثابتًا. من خلال هذا الإعداد، يمكن للمرء ضبط الجهد بين قطب العمل والقطب المرجعي مع ترك التيار يمر بين القطب العامل والقطب المساعد. نتيجة لذلك، يكون قادرًا على دراسة التفاعل فقط عند القطب العامل دون أي تأثير من تفاعل القطب الكهربي المضاد.

عم تختلف الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب عن ثنائية القطب؟

لدراسة سلوك المادة على سطح القطب/الإلكتروليت، نحتاج إلى مراقبة كل من الجهد والتيار. وذلك عن طريق وضع القطب العامل في محلول إلكتروليتي وإخراج النظام من توازنه. يمكن القيام بذلك عن طريق استقطاب القطب إما كاثوديًا أو أنوديًا عن طريق تطبيق الجهد أو التيار على القطب العامل. من أجل تطبيق الجهد، نحتاج إلى قطب مرجعي ذي جهد كهربي ثابت. بعد تطبيق الجهد، يتعين علينا تسجيل تأثير اضطراب النظام الكهربي. للقيام بذلك، يتعين علينا تسجيل التيار الذي تطور عبر القطب العامل وبعض الأقطاب الكهربائية الأخرى. لذلك نحن بحاجة إلى قطب كهربي ثالث يسمى القطب المساعد. أهم دور للقطب المساعد هو إكمال الدائرة لحمل التيار. لذا من أجل دراسة السلوك الكهروكيميائي للتحليل باستخدام تقنيات كهروكيميائية مثل التقنيات الفولتمترية وما إلى ذلك، يجب أن نستخدم نظام الأقطاب الثلاثة بدلاً من نظام ثنائي القطب.

إذا قمت بتشغيل إعداد ثنائي القطب، فأنت تقوم بتعيين جهد أو تيار بين قطب العمل والمساعد. في هذا الإعداد، تكون الاستجابة المُقاسة عبارة عن مزيج من الاستجابة على قطب العمل القطب المساعد.

المصادر

1.  Gamry | Two, Three and Four Electrode Experiments
2. Zensor |  Electrochemical System

على الرغم من أن السعة التخزينة للبطاريات تفوق سعة المكثفات إلا أن تلك الميزة هي سلاح ذو حدين. لا يمكن استخدام البطاريات في الأجهزة التي تتطلب كمية كبيرة من الطاقة لحظيًا كما أنها تمتلك فترة عمر أقصر. وعلى صعيد آخر، تتميز المكثفات بمعدل عالٍ لتفريغ الطاقة لحظيًا لكنها تفتقر للسعة التخزينية الهائلة كما في البطاريات. أيضًا من أهم ما يميز المكثفات هي طول فترة عمرها وإمكانية إعادة الشحن والتفريغ لمرات عديدة بكفاءة عالية. لملء الفجوة بين المكثفات والبطاريات والوصول لمعدل تفريغ طاقة عالٍ بسعة تخزينة كبيرة توصل العلماء لاختراع المكثفات فائقة التوصيل الكهربي-[1] Supercapacitor or Ultracapacitor. في هذا المقال سنتعرف ماهية المكثفات فائقة التوصيل وأنواعها وتطبيقاتها وكذلك التحديات التى تواجهها كجيل جديد لتخزين الطاقة.

ما هي المكثفات الفائقة؟

المكثفات الفائقة هي أحد أجهزة تخزين الطاقة. إنه جهاز يجمع بعض صفات المكثفات التقليدية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن. يخزن الطاقة من خلال تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات على قطبي المكثف الفائق أو من خلال التفاعلات الكهروكيميائية للمواد الفعّالة المكونة للأقطاب[1,2] .

يختلف المكثف الفائق من حيث السعة التخزينية العالية جدًا مقارنة بالمكثف العادي. يخزن المكثف العادي الطاقة عن طريق تخزين شحنة ثابتة بدلاً من تفاعل كهروكيميائي. وذلك عن طريق تطبيق فرق الجهد على قطبي موصلي الكهرباء الموجب والسالب إلى شحن المكثف. هذا مشابه لتراكم الشحنات الكهربائية عند المشي على السجادة أو الاحتكاك بجسم خشن. فيحتفظ جسدك بكهرباء إلكتروستاتيكية. ممايؤدي في حالة لمس جسم ما إلى إطلاق الطاقة من خلال الإصبع مثلًا.

كيف تطورت المكثفات الفائقة؟

اقترح الفيزيائي الألماني هيلمهولتز عام 1879 مكثفًا فائقًا يخزن الطاقة عن طريق استقطاب الإلكتروليتات. بحلول عام 1957، تقدم أمريكي يدعى بيكر بطلب للحصول على براءة اختراع لمكثف كهروكيميائي. قام باستخدام الكربون المُنشط مع مساحة سطح محددة عالية كمواد قطب كهربائي.

ثم في عام 1962، أنتجت شركة Standard Oil Company (SOHIO) مكثفًا فائقًا بقوة 6 فولت مع الكربون المنشط. ثم في عام 1979، بدأ إنتاج المكثفات الفائقة كتطبيق تجاري واسع النطاق. مع التقدم المستمر للتقنيات الرئيسية في المواد والعمليات، والتحسين المستمر لجودة المنتج وأدائه، بدأت المكثفات الفائقة في دخول فترة التطوير. وتستخدم حاليًا على نطاق واسع في الصناعة وفي مجال الأجهزة المنزلية. مما أدى إلى تكثيف جهود العديد من الباحثين لأكثر من 100 عام. حتى الآن، تم تحسين الأداء باستمرار. ونتطلع إلى استخدام المكثفات الفائقة بأداء أفضل في المستقبل [2].

ما هي أنواع المكثفات الفائقة تبعًا لآليات تخزين الطاقة ؟

1. مكثفات الطبقة المزدوجة الكهربية Electrical Double Layer Capacitor (EDLC)

تعتمد على تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات. الطبقة الأولى هي شحنة الجسم. والطبقة الثانية تكونت نتيجة تجاذب الأيونات المخالفة للجسم في الشنحة كما يحدث في شكل 1A الذي يمثل مادة كربونية. وكذلك شكل 1B الذي يمثل مادة كربونية مسامية كما يحدث في المكثفات. وتُعتبر المواد الكربونية (جرافين، أنابيب الكربون النانوية، مشتقات كربيد الكربون، الكربون النشط، إلخ) من أهم المواد التي تعتمد على هذه الآلية في تخزين الطاقة[1].

2. مكثفات كاذبة Pseudocapacitor (PC)

يتم تخزين الطاقة من خلال تفاعلات كهروكيميائية بين المواد المكونة للقطب والالكتروليت المحيط به كما في الشكل1C  والذي يفسر تخزين الطاقة في البطاريات. وهناك أيضا آلية حركة/إقحام أيونات المحلول الإلكتروليتي  في مسامات الأقطاب الكهربية. ينشأ عن ذلك تيار كهربي نتيجة حركة الأيونات/الإلكترونات من وإلى المحلول الإلكتروليتي والمادة النشطة للقطبين (شكل 1D). وتُعد هذه أحد أشهر آليات التخزين عند استخدام موصلات مسامية كفوم المعادن الانتقالية. وأيضًا مركبات العناصر الانتقالية (أكاسيد، نيترات، فوسفات، نتريد، كربيد العناصر الانتقالية) مواد نشطة كهروكيميائيًا يمكنها إنتاج كمية كبيرة من الطاقة عن طريق عمليات الأكسدة والاختزال الانعكاسية Reversible redox reactions [1].

3. مكثفات هجينة Hybrid Supercapacitors:

تعتمد المكثفات الهجينة على آليات التخزين المختلفة معًا. فيقوم أحد القطبين بتخزين الطاقة عن طريق تكوين طبقة مزودجة من الشحنات بينما القطب الآخر يعتمد على آلية التفاعلات الكهروكيميائية. تتميز هذه المكثفات بأنها تعمل في مدى أوسع من جهد التشغيل من النوعين السابقين. كما أنها تعتمد على آليات تخزين مختلفة مما يزيد من فترة عمرها [1].

شكل 1:  (A) مادة كربونية، (B) مادة كربونية مسامية، (C)  مادة نشطة للتفاعلات الكهروكيميائية، (D) إقحام الأيونات المحلول الإلكتروليتي في مادة القطب [1]

ما أهم مميزات المكثفات فائقة التوصيل الكهربي؟

ما يميز المكثفات الفائقة هو قدرتها على تخزين الطاقة بكل الآليات الممكنة مما يجعلها الجيل الجديد من أجهزة تخزين الطاقة. فيمكن تعديد مميزات المكثفات فائقة التوصيل عن البطاريات والمكثفات العادية، في النقاط التالية [3,4]:

1. سعة تخزين أعلى بمئات المرات من المكثفات العادية. وذلك لقدرتها على تخزين الطاقة بالطرق المختلفة السابقة وليس عن طريق تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات أو التفاعلات الكهروكيميائية فقط.
2. القدرة على تفريغ الطاقة بمعدل أعلى من البطاريات حيث أن طبقة الشحنات المزدوجة تعمل على تفريغ طاقتها في وقت قصير. وأيضًا آلية إقحام الأيونات والإلكترونات تولد تيار كهربي نتيجة حركة الجسيمات السريعة. تلك من أهم مميزات المكثفات الفائقة مما جعل العلماء يعملون على تطويرها لاستخدامها في مكابح السيارات الكهربية وغيرها من الأجهزة الكهربية الحديثة.
3. يمكن إعادة شحن الأجهزة آلاف المرات دون أي فقد في السعة التخزينة أو معدل التفريغ.

ما تطبيقات المكثفات الفائقة؟

يمكن استخدام المكثفات فائقة التوصيل في التطبيقات التي تتطلب شحن/تفريغ سريع للطاقة كمكابح السيارات الكهربية وأجهزة توليد الطاقة المتجددة ورادارات الطرق. بينما تُستخدم البطاريات في الأجهزة التي تتطلب توليد الطاقة على المدى الطويل كبطارية الهاتف المحمول والبطاريات المنزلية. وأيضا تُستخدم المكثفات الفائقة في التحكم في ضغط الكهرباء القطارات الكهربية  أثناء تخفيض سرعتها لتقليل استهلاك الطاقة [5].

ما التحديات التي تواجه المكثفات فائقة التوصيل؟

تستخدم المكثفات الفائقة على نطاق واسع في النقل والصناعة والجيش والإلكترونيات الاستهلاكية وغيرها من المجالات بسبب خصائصها الممتازة. ومع ذلك، فإن هذه الأجهزة بها بعض أوجه القصور. يتم وصف المشكلات الحالية التي تحتاج إلى حل بشكل أساسي في الجوانب الأربعة التالية [6] :

1. المشاكل الفنية للمكثفات الفائقة:

كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة ليست عالية جدًا. في الوقت الحالي، لا تزال هناك فجوة معينة بين المكثفات الفائقة والبطاريات من حيث كثافات الطاقة. ولا تزال كيفية تحسين كثافة الطاقة هي محور البحث وصعوبته. يمكن تعزيز كثافة الطاقة عن طريق زيادة مساحة السطح الفعالة لمواد الأقطاب في المكثفات ذات الطبقة المزدوجة أو زيادة نافذة جهد التشغيل أو كليهما. يتم إجراء المزيد من الأبحاث لتطوير مواد جديدة ذات مساحة سطح عالية واستخدام إلكتروليتات عضوية مناسبة يمكن أن تتحمل نافذة جهد أكبر. إذا تمت معالجة هذه الامتدادات بشكل صحيح ، يمكن أن تصبح كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة مماثلة للبطاريات.

2. كشف الثبات والاتساق:

نافذة الجهد للمكثف الفائق منخفض (أقل من 2.7 فولت)، الأمر الذي يتطلب الكثير من التوصيلات المتسلسلة للتطبيقات العملية. نظرًا للحاجة إلى شحن وتفريغ عاليين في التطبيقات، فإن الشحن الزائد له تأثير خطير على عمر المكثفات. فمن المهم جدًا ما إذا كانت الفولتية على المكثفات الفردية في السلسلة متسقة أم لا.

3.المعيار الصناعي:

كجهاز جديد لتخزين الطاقة، لا يمكن فصل التطوير الصحي للمكثفات الفائقة عن الصناعة والإشراف على السوق. تهدف مجموعة من الأنظمة القياسية التقنية إلى صياغة معايير الصناعة العملية، والمعايير الوطنية، وحتى المعايير الدولية. على سبيل المثال، المصطلحات وطريقة تسمية نموذج التصنيف وطريقة اختبار الأداء الكهربائي والمتطلبات الفنية للسلامة والمواصفات العامة ومواصفات مادة القطب الكهربائي ومواصفات الإلكتروليت وسلسلة مواصفات الشاحن والمتطلبات الفنية للإنتاج ومتطلبات النقل والاسترداد ويجب وضع متطلبات تدمير المكثفات الفائقة. وأيضًا معايير أخرى تهدف إلى توجيه وتوحيد صناعة المكثفات الفائقة لتحقيق هدف التخلص من إعادة التدوير الأخضر بتكلفة منخفضة. إنها وسيلة ضرورية لتعزيز التنمية الصحية للصناعة.

المراجع:

1. Science | Where Do Batteries End and Supercapacitors Begin? .
2. JEC| The History Of Supercapacitors
3. Chemical Reviews | Pseudocapacitance: From Fundamental Understanding to High Power Energy Storage Materials
4. Batteryuniversity | How does a Supercapacitor Work?
5. Encyclopedia | Supercapacitor Applications and Developments
6. APL Materials | Challenges and opportunities for supercapacitors

يعد الجدول الدوري بالدرجة الأولى واحدًا من رموز العلم؛ فلم يتوقع ديمتري مندلييف أن ملاحظته لتشابه عدة عناصر كيميائية في الخواص وتدرجها بالوزن الذري ومحاولته تفنيدها وفقًا لذلك في مجموعات أنه سيبدأ بعملٍ خالدٍ ومرجعيٍ يعود له الباحثين والعلماء في الكيمياء.

من المعروف بأن من هو على اطلاع بالفن له نظرة خاصة ونوعية للّوحات الفنية لا يملكها العوام. فالفنان لا يرى لوحة الموناليزا مثلًا كامرأة متهكمة بملامح باردة، بل يثّمنها لأنه عليم ملمٌ بمواطن الإبداع والعبقرية فيها.

كذلك الأمر عند حديثنا عن الجدول الدوري، فهو لوحة فنية بعيون الكيميائي، نجمت عن جهود متراكمة لعدد من العلماء على مدار أعوامٍ من العمل الدؤوب المتواصل. إذًا، كيف تم ترتيب هذه العناصر؟ وعلى أي أساس؟ وهل اكتشفنا جميع العناصر وحصرنا عددها أم لم ننتهي بعد؟

لمحة عامة عن الجدول الدوري

اكتسب الجدول الذي يجمع العناصر الكيميائية لفظة “الدوري” للدلالة على ترتيب العناصر فيه بشكل متسلسل متدرج بالحجم -بازدياد نصف القطر الذري– في الدور الواحد (السطر الأفقي)، مع ترتيب العناصر في أعمدة (سطور رأسية) بناءً على العدد الذري، والتوزيع الالكتروني والخواص الكيميائية. سمح ذلك للباحثين بالتنبؤ بخواص عناصر لم تُكتشف أو تُدرس بعد بحسب موقعه المُمَهد له في الجدول الدوري!

يضم الجدول الدوري 7 أدوار (سطور) و18 فصيلة (عمود)، ويسوده المعادن ثم أشباه المعادن واللامعادن. وبالنظر للتوزيع الإلكتروني في الطبقة السطحية، يعبر العمودين الأوليين في جهة اليسار عن المعادن القلوية عن “القَطَّاع s”، أما الأعمدة الستة في جهة اليمين تعبر عن “القَطَّاعp “. والعناصر التي في أوسط الجدول “القَطَّاعd “، وأخيرًا، العناصر التي في أسفل الجدول ومنفصلةٍ عنه “القَطَّاعf”.

مراحل تطور الجدول الدوري تاريخيًا

قام مندلييف بوضع نموذج أولي بسيط للجدول الدوري في ستينات القرن التاسع عشر، ليعرض ابتكاره على الجمعية الكيميائية الروسية عام 1869 لتعتمده الأخيرة وتنشره.

عصر المفاعلات النووية

بحلول عام 1940 تم اكتشاف 92 عنصرًا في الطبيعة انتهت بأثقلها “U – اليورانيوم “. إلا أن شغف العلماء والباحثين قادهم إلى تصنيع 26 عنصرًا جديدًا في المفاعلات النووية عبر ما يعرف بتفاعلات الاندماج النووي (دمج نواتي ذرتين لخلق ذرة جديدة). ولمّا كانت النواتين الداخلتين في التفاعل النووي موجبتي الشحنة، وجب تطبيق قوة تفوق التنافر الكهربي الساكن بين الشحنتين المتماثلتين. وقوة التنافر تلك تزيد عن قوة انفجار الديناميت TNT بملايين المرات، لذلك عملية التخليق أو التصنيع النووي ليست ببساطة عملية تصنيع مركب كيمائي [1].

تمت دراسة بعض هذه العناصر كيميائيًا وإضافتها جميعًا للجدول الدوري، ودعيت لاحقًا “بعناصر ما بعد اليورانيوم” لأنها تَلي عنصر اليورانيوم في الجدول الدوري. وفي نفس العام، تم تصنيع العنصر (93) “Np – النبتونيوم” والعنصر (94) “Pu – البلوتونيوم” ثم تصنيع كل من “Am – الأمريكيوم” (95) و”Cm – الكوريوم” (96) عام 1944 [1].

غلين سيبورج ومساهماته في الجدول الدوري

اعتقد العلماء بإمكانية وضع العناصر الجديدة في أوسط الجدول الدوري، إلا أنه كان ل «غلين سيبورج» رأيٌ مختلف. إذ تنبأ غلين وفقًا للتوزيع الإلكتروني للعناصر الجديدة بخواص جديدة ومتفردة ، بناءً عليه، اقترح نموذجًا للجدول الدوري تكون فيه تلك العناصر بدورين (سطرين) أسفل الجدول الدوري. ووضع غلين العناصر الجديدة بمعزلٍ لتحري التبسيط في العرض وهما اللانثانيدات والأكتيندات على الترتيب، وهو ما تم تأكيده بمرور الوقت والعمل به. ليستحق غلين بذلك جائزة نوبل في الكيمياء عام 1951 مناصفّةً مع ماكميلان؛ فضلًا عن جهودهما الرائدة في تصنيع 9 عناصر ما بعد اليورانيوم. ولعل تشريف اسم غلين سيبورج في عنصر “Sg – السيبورجيوم” يرقى عن الذي تكتنفه جائزة نوبل [1].  ليتوالى بعدها تخليق عناصر جديدة منتهيةً بآخر عنصر “Og – الأوغانيسون” عام 2016 ذو العدد الذري (118).

ومنذ ذلك الوقت عكف العلماء والباحثين على تخليق عناصر جديدة ذات العدد الذري (119) و(120)، إلا أنه ولسوء حظوظهم، لم تتكلل جهودهم بالتوفيق إلى يومنا هذا. معتبرين بأن النتائج المنشودة تتطلب فهمًا أكبر للتفاعلات النووية وفيزيائها. كما أنها فرصة مناسبة لنَذكر بأن عالمنا سيبورج نفسه تنبأ عام 1969 باتساع الجدول الدوري في المستقبل ليحتوي على (172) عنصر مما يتوجب إضافة دور (سطر) ثامن له، مع ضرورة وضع العناصر ذات العدد الذري التي تساوي (120) وتزيد عنه في قَطّاع جديد ” القَطَّاع g ” نظرًا لاختلاف التوزيع الإلكتروني في طبقتها السطحية، ومنه اختلاف في الخواص الكيميائية [2]. كما تم اقتراح نموذجين جديدين للجدول يتلاءما مع هذا التحديث [3].

عصر النكليدات Nuclides

تُعرف النكليدات بأنها مفهوم محيط ولفظ عام للنظائر، والنظائر هي عناصر لها نفس العدد الذري ولكن باختلاف العدد الكتلي. فمثلًا لذرة الكلور نظيرين في الطبيعة لهما الكتلتين 37 و35. للإيضاح، تخيل عزيزي القارئ لو أنه زاد وزنك مؤخرًا، فهل ستتغير شخصيتك ومعتقداتك وأفكارك؟ بالطبع لا، إذًا لا يوجد اختلاف في الخواص الكيميائية بين نظيري الكلور، وإنما في الكتلة والنشاط الاشعاعي. بتطور العلم استطاع البشر تصنيع ما يزيد عن 4000 نكليد من أصل 118 عنصر! [4]

للنكليدات استخدامات مختلفة في الطب والبحث العلمي والتحليل الكيميائي، وغيرها. وقصارى القول، إن فهم الجدول الدوري واتساقه وتطوره، يمنحنا فكرة متواضعة عن مدى تطور فهم البشرية للكيمياء بمرور الوقت. ويبقى السؤال المُحير، هل للجدول الدوري نهاية؟ أم أنه مترامي الأطراف بانتظار زيادة علمنا فيزداد اتساعًا؟!

المصادر

1. Periodic Table & Transuranium Elements Lesson Plan (acs.org)

2. The continuation of the periodic table up to Z = 172. The chemistry of superheavy elements | SpringerLink

3. Periodic table of elements revisited for accommodating elements of future years on JSTOR

4. Karlsruhe Nuclide Chart – New 10th edition 2018 | EPJ N (epj-n.org)

ما هي البطاريات الجلفانية:

تُعرف البطاريات الجلفانية (الأيونية السائلة) بأنها بطاريات تعتمد على المذيبات الأيونية لنقل الشحنات الكهربائية بين الأقطاب الكهربائية، ما يعني أنها لا تحتوي على جزء صلب داخلي يحتاج إلى تفكيك أو إعادة تركيب.
تتكون البطاريات الجلفانية عادة من زوجين من الإلكترودات الخاصة مكونة بذلك الأقطاب السالبة والموجبة؛ مثل الكربون والليثيوم، ويفصلهما غشاء مخصص يعمل كمادة وسيطة.

ما الذي يميز البطاريات الجلفانية:

تتمتع البطاريات الجلفانية بعدة مزايا، منها قدرتها على إنتاج الكهرباء بشكل مستمر، وقابليتها لإعادة الشحن، وغيرها؛ مثل:

قابلية التشغيل في درجات حرارة مختلفة:

تتحمل البطاريات الجلفانية درجات حرارة عالية مقارنة بالبطاريات الأخرى، ما يعني أنه يمكن استخدامها في الظروف القاسية والتطبيقات الصناعية.

كفاءة الشحن والتفريغ:

تتمتع البطاريات الجلفانية بكفاءة عالية في عمليات الشحن والتفريغ، فتحتفظ بالشحن لفترة أطول مقارنة بالأنواع الأخرى.

عمر إفتراضي طويل:

تمتع البطاريات الجلفانية بعمر طويل نسبيًا، ما يعني أن حاجتها للصيانة والتبديل أقل بكثير مما تحتاجه البطاريات الأخرى.

صديقة للبيئة:

تتكون البطاريات الجلفانية من مواد صديقة للبيئة، فلا تحتوي على كثير من المواد الضارة، التي تتواجد في البطاريات التقليدية. وكلما أُخذت إلى مرحلة أكثر تطور، تحسنت جودة المواد المستخدمة فيها، وقل استخدام المواد السامة.

تاريخ البطاريات الجلفانية:

تعتبر البطاريات الجلفانية من أحدث التقنيات في عالم البطاريات الكهربائية، وككل اختراع مهم في تاريخ البشرية، أخذت عملية تطويرها فترة لا بأس بها، محدثة بذلك أهم قفزاتها التكنولوجية في القرن العشرين مساهمة بذلك في زيادة عجلة التسارع التكنولوجي.
ففي عام 1898، قام العالم الإيطالي جيوزيبي زامبوني بتطوير أول بطارية جلفانية عن طريق استخدام الجل والتيار الكهربائي. وقد أدى هذا الإختراع إلى تحسين أداء بطاريات الحمض الرصاصي التي كانت تستخدم آنذاك.
وفي العقود اللاحقة، شهدت البطاريات الجلفانية تطورات هائلة، حيث تم تحسين أدائها، وكفاءتها، لتتلائم مع الوظيفة التي صنعت لأجلها دون أن تلحق أضرار متراكمة على البيئة.

وفي عام 1973، تم تطوير أول بطارية جلفانية قابلة للشحن من قبل العالم الأمريكي جون غودنوف. ومنذ ذلك الحين، تم تطوير أنواع مختلفة من البطاريات الجلفانية، بما في ذلك بطاريات الليثيوم الجلفانية التي أصبحت مشهورة في العالم وأصبحت جزءًا لا يتجزأ من أجهزة الهواتف المحمولة، والألواح الذكية، والسيارات الكهربائية.

ما هي آلية عمل البطارية الجلفانية:

تعتمد جميع أنواع البطاريات الجلفانية على نفس الآلية الأساسية لتوليد الكهرباء، فتقوم البطارية بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عن طريق عملية التأكسد والاختزال.

يتكون الجهاز الكهروكيميائي الذي يتم استخدامه في البطاريات الجلفانية من قطبين كهربائيين ووسط كهروليتي يسمى المحلول الجلفاني. يتم وضع القطب السالب في المحلول الجلفاني المكون من مذيب وملح، في حين يتم وضع القطب الموجب في المحلول الجلفاني المكون من أكسدة وخاصية خفض الأيونات.

عند تشغيل البطارية، يبدأ التفاعل الكيميائي بين المحلول الجلفاني والقطبين، مما يؤدي إلى إنتاج الكهرباء. يتم تحريك الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر الدائرة الخارجية، في حين تتحرك الأيونات من المحلول الجلفاني إلى القطب الموجب لإكمال التفاعل الكيميائي.

تتفاوت سرعة تفاعل البطارية وكفاءتها بشكل كبير اعتمادًا على أنواع مختلفة من المواد المستخدمة في المحلول الجلفاني وأنواع القطبين. وبالتالي؛ تختلف البطاريات الجلفانية في الكفاءة والأداء.

أنواع البطاريات الجلفانية:

تشتهر البطاريات الجلفانية بكونها تقدم حلاً مستدامًا وآمنًا لتخزين الطاقة، لذا فإنها تستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل: استخدامها في معدات الاتصالات والتحكم عن بعد، وأجهزة القياس والمراقبة، وأجهزة التحكم في الصناعة. كما تستخدم في بعض الأجهزة الطبية والتطبيقات العسكرية. وتبعًا لذلك تختلف أنواع البطاريات الجلفانية عن بعضها طبقًا لطريقة توليد الكهرباء وخصائص الأداء.

فيما يلي، سنلقي نظرة على بعض أنواع البطاريات الجلفانية الأكثر شيوعًا:

1. بطاريات الزنك الهوائية:

تُعرف بطاريات الزنك الهوائية باسم بطاريات الهواء المنعش، وتعد هذه البطاريات واحدة من أكثر الأنواع الصديقة للبيئة. تعمل هذه البطاريات عن طريق تفاعل الزنك مع الأكسجين في الهواء، وتوفر هذه العملية كثافة طاقية عالية جدًا. كما أنها تتميز بوزنها الخفيف وحجمها الصغير، ما يجعلها مثالية للاستخدام في الأجهزة الصغيرة مثل الساعات الذكية والسماعات اللاسلكية.

2. بطاريات حمض الرصاص:

تُعد بطاريات حمض الرصاص من الأنواع الأكثر شيوعًا في متوسط الاستخدام اليومي. تعمل هذه البطاريات عن طريق تفاعل حمض الكبريتيك مع الرصاص وأوكسيد الرصاص لتوليد الكهرباء. تتميز بطاريات حمض الرصاص بأنها متينة ورخيصة التكلفة، ولذلك تستخدم في العديد من التطبيقات مثل السيارات وأنظمة الطاقة الشمسية.

3. بطاريات الليثيوم الجلفانية

تُعتبر بطاريات الليثيوم الجلفانية من أكثر الأنواع شيوعًا في التطبيقات الإلكترونية. تستخدم هذه البطاريات تفاعل الليثيوم مع الأكسجين في الهواء لتوليد الكهرباء. كما تتميز بكثافة طاقة عالية وعمر افتراضي طويل، ولذلك تستخدم في العديد من التطبيقات مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.

مستقبل البطارية الجلفانية:

من المتوقع أن تتحسن تقنية البطاريات الجلفانية في المستقبل، وأن تصبح أكثر كفاءة واقتصادية، مما يزيد من استخداماتها في مختلف المجالات. كما يمكن أن تلعب هذه البطاريات دورًا هامًا في تطوير الطاقة المتجددة والحد من انبعاثات الكربون.

المصادر:

Challenges and prospects of bipolar membranes in solid-state batteries.
Recent advancements in gel polymer electrolytes for lithium-ion batteries.
Electrochemical behavior of gel polymer electrolyte and its influence on performance of Li-ion batteries.
Gel polymer electrolytes for batteries.
Review of selected electrode–solution interactions which determine the performance of Li and Li ion batteries.

إن كيمياء السطوح المعروفة باسم “Surface Chemistry” ذات أثر بالغ في حياتنا اليومية. فهي تدرس الحوادث والظواهر التي تحدث عند السطح الفاصل بين طورين مختلفين؛ فما هي أبرز تلك الحوادث؟ وكيف تمكن العلماء من تكريسها في تطبيقات صناعية وطبية وهندسية تنعكس إيجابًا على حياة البشر وتسهلها بشكل ملحوظ؟

الامتزاز والامتصاص

بادئ ذي بدء، علينا التحدث عن العمود الفقري للظواهر السطحية، ألا وهو “الامتزاز-Adsorption”. فلا تخلو أي عملية كيميائية منه تقريبًا. إنّ أول من أطلق لفظ الامتزاز هو الفيزيائي الألماني “هنريش كايزر” عام 1881. ويعرَّف الامتزاز بتموضع مادة على سطح مادة أخرى، فمثلًا تتموضع الأجسام الصلبة على سطحها، أي تمتز عليها، جزيئات الغاز في الجو دون أن تدخل جزيئات الغاز في بنية الأجسام الصلبة. أما عندما تتغلغل وتدخل جزيئات مادة في أخرى نطلق على هذه الظاهرة اسم الامتصاص؛ كما يحصل حال تبلل قطعة الإسفنج بالماء.

تطبيقات كيمياء السطوح الصناعية

تلعب بعض المركبات الصلبة دور حفّاز (وسيط)، يسرع من حدوث تفاعل يجري بدونها أساسًا ولكن ببطء. إذا كانت المتفاعلات في الطور الغازي أو السائل، نصبح أمام تفاعل يحوي عدة أطوار (حالات فيزيائية)، لذلك نطلق عليها لفظ (حفّازات غير متجانسة). ويتمثل مبدأ العملية بامتزاز المتفاعلات على سطح الحفاز ليسير التفاعل بحركية عالية. استخدمت الحفّازات في صناعة مركبات كيميائية بكميات ضخمة في أوائل القرن 19. لتلك المركبات وعلى بساطتها دورًا جليًّا في تقدم أي صناعة كانت مثل: “حمض الكبريت-H2SO4″، و”حمض النتريك-HNO3″، و”غاز الأمونياك-NH3 ” .

وبعد نجاح تلك العمليات، أخذت تتضمن الصناعة الكيميائية التفاعلات الحفزية بمنحىً أكثر تعقيدًا؛ كإنتاج «الميثانول-CH3OH» من غازيّ «أُحادي أكسيد الكربون-CO»، و«الهيدروجين-H2»، وأكسدة «الايثلين-C2H4» للحصول على «أوكسيد الايثلين-C2H4O» الذي يصَنَّع منه «الايثلين غليكول-C2H6O2» )مانع تجمد الماء اللازم لتبريد محركات للسيارات). كما استخدمت في حذف الهيدروجين من كل من «البيوتان-«C4H10  لإنتاج «البيوتادايين-C4H6» الذي يدخل في صناعة المطاط، و«البروبان-C3H8» و«الإيثان-C2H6» لصناعة البلاستك PP وPE على الترتيب[1].

في أوائل القرن الماضي، دخلت الحفازات ميدان النفط لتثبت جدارتها في تسريع وتيرة التطور الاقتصادي. ففي النفط مشتقات لا تصلح لاستخدامها كوقود أو للصناعات البتروكيميائية. فيُعمَد إلى إدخالها في تفاعلات برعاية حفازات سيراميكية “zeolite”؛ وهي التكسير الحفزي (والتكسير الحفزي هو تصغير لعدد ذرات الكربون في المشتق النفطي لتصبح صالحة للاستخدام في الوقود أو الصناعات البتروكيميائية) متحولةً لمركبات أخفّ صالحة للتطبيقين آنفيّ الذكر [1].

 يتمحور اليوم دور الحفازات صناعيًا حول إعطاء نواتج بشكل انتقائي، وذلك بمفردها دونًا عن غيرها من نواتج ثانوية. حيث تعتبر النواتج الثانوية -أحيانًا- مُضرّة للبيئة، أو ليس لها جدوى، حيث تصرف الطاقة والوقت في صناعتها دون طائل. فمثلًا، أضحت عملية تصنيع أوكسيد البروبلين الذي يعَد المادة الخام لإنتاج البولي يوريثان (الإسفنج الصناعي)، اليوم تتم بمفاعلة البروبلين مع «بيروكسيد الهيدروجين-«H2O2 بواسطة حفّاز من «سيلكات التيتانيوم-Ti-silicate»، بعد أن كان حدوث التفاعل يتم باستخدام غاز الكلور السام، أو بمرافقة منتجات ثانوية كالستايرين [2].

التطبيقات الهندسية لكيمياء السطوح

1- مضادات للتآكل

في العديد من التطبيقات العملية تؤدي تفاعلية بعض الأسطح تجاه بيئتها مثل درجة الحرارة، وسائل أكّال، والغاز، والإشعاع إلى تآكل كيميائي أو اهتراء ميكانيكي بفعل الاحتكاك. ويقود التآكل أو الاهتراء إلى ضياع في المادة والطاقة، وهو أمر غير مرغوب بالتأكيد [10]. وعليه نلجأ لطلاء السطح بمادة مُبطئة للتآكل؛ قد تكون أوكسيدًا معدنيًا مثل أوكسيد الكروم المطلي على سطح الستانلس ستيل، أو بوليمر خامل مثل التيفلون أو التيفال المطلي على المقلاة. ويتجلى دور هذه المواد في تثبيط حركية تفاعل التآكل [11] [12] [13].

لكن من منظور آخر، قد تُمثل تلك المواد مصدر قلق في حال خَدشها؛ إذا وضعت في بيئة غير ملائمة، كما حدث مع تلسكوب هابل الفضائي المطلي بالتيفال الألوميني. فقد تدهورت بنية التليسكوب عند تعرضه للإشعاع فوق البنفسجي وتشكل الجذور الحُرة لـ 19 عامًا [13].

2- المُزلقات

المزلقات هي مواد توضع بين سطحين صلبين يكونا في حالة حركة مستمرة. وتساعد المُزلقات على تقليل الاحتكاك والاهتراء عند السطوح البينية [14]. وتحوي زيوت التزليق على هيدروكربونات يتراوح عددها من 14 إلى أكثر من 40 ذرة كربون، وهي ذات طبيعة (أروماتية- نفتينية- أليفاتية) [15]. كما تحتوي بعض الإضافات لتعزيز أداء الزيت تحت الإجهاد الشديد للآلات التي منها (العربات، ومحركات الاحتراق الداخلي؛ والتوربينات، والضواغط والأنظمة الهيدروليكية).

لا تقتصر المُزلقات على السوائل، بل يمكن أن تكون صلبة ذات بنية مؤلفة من طبقات تنزلق تحت الضغط لتؤدي الغرض المطلوب مثل؛ الغرافيت، و«ثنائي كبريتيد التنغستين-WS2» [15].

 تستخدم المُزلقات الصلبة في توربينات الغاز ذات الحرارة العالية. كما تستخدم أيضًا في تطبيقات الفضاء الخارجي لأن نظيراتها السائلة غير ثابتة، فتتبخر عند شروط كهذه. ومن التطبيقات الهامة للمُزلقات تغطية القرص الصلب (CD-DVD) »بطبقة رقيقة جدًا- «Film لحمايته من الخدوش والتَلف عند استعماله [16].

التطبيقات الطبية لكيمياء السطوح

في أواخر أربعينيات القرن الماضي، ومع تطور المواد الحيوية مثل الغرسات الطبية؛ كالعدسات داخل العين، واستبدال مِفصل الورك، وأجهزة التماس مع الدم، بدأ الباحثون باستكشاف التفاعلات التي تحدث على السطوح. وبناءً على العديد من المشاهدات التجريبية، لاحظوا علاقتها بخواص السطح نَفسه [3].

على سبيل المثال: عندما تدخل مادة غريبة داخل الجسم وتصبح على تماس مع الدم، سيمتز عليها مباشرةً عدة بروتينات بشكل انتقائي، مشَكِّلةً المرحلة الأولية. تليها لاحقًا التصاق الصفائح الدموية لتلعب الدور الرئيس في تجلّط الدم. وقد تم تطوير العديد من الاستراتيجيات لتعديل السطح منعًا للتجلّط [4] [5] [6].

مثالٌ آخر: تتمثّل فكرة عمل جهاز استشعار الجلوكوز المُستخدم من قِبل مرضى السكري لمراقبة مستوى السكر في الدم بمواجهة الجلوكوز بطبقة من أنزيم جلوكوز أوكسيداز على «قطب -Electrode» أوكسجين. فيحفِّز الأوكسجين بشكل انتقائي أكسدة الجلوكوز في الدم معطيًا مركب بيروكسيد الهيدروجين [7]. ويتناسب تركيز بيروكسيد الهيدروجين طرديًا مع الجلوكوز. ويتم الكشف عنه إما إلكتروكيميائيًا أو عبر مُحول بصري. إلكتروكيميائيًا أي يتفاعل بيروكسيد الهيدروجين على قطب كهربائي معطيًا شحنات كهربائية. كلما زاد عدد الشحنات، زاد تركيز المركب [8]. اما مُحول بصري، ففيها يتفاعل بيروكسد الهيدروجين مع مركب على شريط ليظهر اللون الأزرق؛ وتزداد شدة اللون بزيادة تركيز بيروكسد الهيدروجين [9].

ونافلة القول وفق ما تم ذِكره، بات علم السطوح من العلوم الواعدة بما تحمل من تقدم مستمر وتطبيقات واسعة لا شُطآن لها. وما زال العلماء عاكفين على المضي في هذا المضمار. فلا نعرف ما الذي سيحمله المستقبل في هذا المجال بعد.

المصادر:

1- Researchgate
2- NCBI
3- Sciencedirect
4- Pubmed
5 – Sciencedirect
6- Pubmed
7- NCBI
8- NCBI
9- ACS Publications
10- Springerlink
11- Springerlink
12- Scirp.org
13-jstor.org
14- NCBI
15- Academia
16- Sciencedirect

وفّر علينا ديمتري مندليف وجدوله الدوري أطنانًا من الجهد والعناء. وسهّل علينا الحياة، وساعد في تقدم الكيمياء -وغيرها من المجالات الأخرى- بشكل غير مسبوق. هذا النَظم الكيميائي الذي يعود لعالمٍ لم ينصفه التاريخ بالشكل الكافي، حان الوقت لمحاولة إنصافه.

ضيفنا اليوم في سلسلة العلماء الذين لا نعرف كيف لم يحصلوا على جائزة نوبل هو ديمتري مندليف. الكيميائي والمعلم الروسي الذي اكتَشف نظامًا للعناصر الكيميائية، وصنفها بطريقة تسهِّل علينا دراستها ومعرفة خصائصها، والذي لم يَنل جائزة نوبل رغم جهده العظيم.

حياته المبكرة

في الثامن من فبراير من عام 1834، وفي بلدة توبولسك الواقعة بمقاطعة سيبيريا في روسيا، شهد العالم مولد ديمتري إيفانوفيتش ميندليف. امتازت عائلته بالعزوة والعدد الكبير، ويعتقَد أنه امتلك 16 أخاً وأختاً. والده، والذي كان معلمًا بسان بطرسبرج، أصيبَ بالعمى بعد ولادة ابنه الأخير. ما اضطر الأم إلى التكفل بمصاريف الأسرة. ولم يكن ذلك مستعصيًا عليها؛ فالأم ماريا كورنيليفا كانت مديرة لأحد مصانع الزجاج، وكان دخلها كبيرًا.

وفي عام 1847 مات الأب. وبعدها بعام واحد فقط، احترق مصنع الزجاج، مما اضطر العائلة إلى الانتقال للعاصمة سان بطرسبرج. كان الأب أثناء حياته قد تخرج في المعهد التربوي بالعاصمة، وكان متفوقًا وذي سمعة طيبة، ولهذا عمل كمدرس هناك. وبعد وفاته، استطاع ديمتري مندليف أن يلتحق بنفس المعهد الذي درس فيه أبوه؛ لأن مدير المعهد كان يعرفه. وبالمناسبة، كان ديمتري يبلغ من العمر وقتها 16 عامًا.

على مشارف العشرين، نشر مندليف ورقته العلمية الأولى، وكان عادًة ما يعمل على سريره. وعلى الرغم من أنه كان صعب المراس، ومعلميه وزملاءه يشهدون بذلك، إلا أنه استطاع أن يتخرج متفوقًا على الجميع. وحصل على المركز الأول متفوقًا على أقرانه.

أصبح مندليف معلمًا في سنه ال21 في عام 1855، ولكنه لم ير أن التدريس كاف لإشباع رغباته العلمية وطموحه العالي, فأراد صاحبنا أن يحصل على درجة الماجستير في الكيمياء، وهذا ما أعاده مسرعًا إلى العاصمة ليدرس الماجستير هناك. ومن جامعة سان بطرسبرج، حصل ديمتري مندليف على درجة الماجستير في الكيمياء عام 1856. [1]

شغفٌ منقطع النظير بعلم الكيمياء

أصبح مندليف معلمًا وأكاديمياً حاصلاً على درجة الماجستير في الكيمياء. وجمع بين السلك التعليمي والأكاديمي في الوقت ذاته حتى فاز بمنحة إلى غرب أوروبا ليستكمل دراساته وأبحاثه في مجال الكيمياء.

قضى مندليف جلَّ عامي 1859 و1860 في مدينة هايدلبرغ بألمانيا. وهناك عمل مع روبرت بنزن Robert Bunsen في جامعة هايدلبرغ. وقتها، اكتشف بنزن بمساعدة زميله جوستاف كيرتشوف عنصر السيزيم باستخدام تقنية منظار الطيف أو الـ Spectroscopy. وتلك هي التقنية التي جمعت ميندليف ببنزن.

وفي عام 1860، حضر ميندليف مؤتمرًا سيغير نظرته تمامًا ويشكل فارقًا في حياته. كان هذا المؤتمر هو المؤتمر الدولي الأول من نوعه للكيمياء، وأقيم في مدينة كارلسروه الألمانية. وكان الهدف من المؤتمر هو تعميم الكيمياء وتوحيدها Standardize على مستوى العالم أجمع. وقتها سمع مندليف عن نص قانون أفوجادرو، وازداد شغفه وحبه للكيمياء.

عاد ديمتري مندليف إلى سان بطرسبرج وإلى التدريس مرة أخرى في عام 1861. وكان شغفه بالكيمياء واضحًا. وتأثر مندليف بتقدم الألمان في مجال الكيمياء وخاف أن يسبقوا دولته روسيا، فرأى ضرورة تأليف كتابٍ شامل عن الكيمياء باللغة الروسية. وصدق أو لا تصدق؛ في 61 يوماً فقط، استطاع العالم الشغوف ذو الـ 27 عامًا أن ينجز كتاب “الكيمياء العضوية” في 500 صفحة!

فاز الكتاب بجائزة دوميدوف Domidov Prize، وارتبط اسم مندليف ارتباطًا وثيقًا بالكيمياء في روسيا. لكن لم يكتف مندليف بهذا الحد، وإنما ألّف كتابًا ثانيًا تحت اسم مبادئ الكيمياء أو The Principles of Chemistry في عام 1869. وكان يبلغ حينها من العمر 35 سنة فقط! واشتهر الكتاب في روسيا، بل وفي العالم أجمع، وترجِم إلى الإنجليزية والفرنسية والألمانية. [2]

الجدول الدوري للعالم ديميتري مندليف

في عام 1869، شرع مندليف بكتابة الجزء الثاني من كتاب “مبادئ الكيمياء”. ووقتها، كتب أسماء وخصائص 65 عنصرًا كيميائيًا على بطاقات شبيهة ببطاقات اللعب. ولعل أهم الخصائص التي كتبها كان الوزن الذري للعناصر، والذي رأى مندليف أنه كان مهمًا للغاية لمعرفة العلاقة بين العناصر الكيميائية المختلفة. وظل مندليف يقلِّب البطاقات يمينًا ويسارًا علّه يصل إلى اكتشاف ما، ولكنه سرعان ما غلبه النوم. [3]

وعلى غرار اكتشافات عظيمة لم تكن لتخرج للنور لولا العقل اللاواعي، توصل عقل مندليف اللاواعي للنمط الصحيح الذي يجب أن يرتب البطاقات وفقًا له لكي يصل إلى العلاقة بينها.

لم يحتج مندليف سوى لأسبوعين فقط لكي ينشر العلاقة بين الخصائص والأوزان الذرية للعناصر الكيميائية. ووقتها، ظهر ما سيغير علم الكيمياء إلى الأبد، ظهر الجدول الدوري للعناصر الكيميائية.

ديمتري مندليف لم يفز بجائزة نوبل، ولكنه فاز بأكثر من ذلك بكثير

بسبب اكتشافه للجدول الدوري، تم ترشيح ديمتري مندليف إلى جائزة نوبل في الكيمياء في عام 1905 و1906. لكن لسوء الحظ ولاعتقاد لجنة التحكيم بأن اكتشافه للجدول الدوري كان شيئًا من الماضي، ذهبت الجائزة إلى مكتشف عنصر الفلور، ألا وهو هنري مواسون. وبالمناسبة، توقع الجدول الدوري مكان عنصر الفلور به بدقة شديدة. [3]

وبعد ترشحه لمرتين آخرهما في 1906، مات مندليف في العام اللاحق، ومات معه حلم فوز الجدول الدوري بجائزة نوبل. ومع هذا، فاز الجدول بشرف أكبر وأصبح موجودًا على أغلفة ملايين الكتب حول العالم. وأصبح ذكر الجدول الدوري وذكر مكتشفه ديمتري مندليف مخلدًا حتى يومنا هذا.

المصادر:

1. Biography
2. Famous Scientists
3. National Geographic

أصبح علم النانو نعمة للبشرية من خلال ما يقدمه من مزايا وخاصة في مجال الطب. حيث أدى التقدم الكبير في هذا المجال لتحفيز التفكير لابتكار آلية فعالة لمحاربة الأمراض والاضطرابات الصحية المزمنة. وقد استُخدم طب النانو لتطوير أنظمة إيصال للدواء تستخدم مع مجموعات كبيرة من الأمراض. فما هي أنظمة إيصال الدواء النانوية؟ وما الهدف منها؟ وما هي تطبيقاتها؟

ما هي أنظمة إيصال الدواء النانوية؟

تعد أنظمة إيصال الدواء النانوية علمًا جديدًا وسريع التطور لعلاج الأمراض المختلفة. حيث تستخدم مواد نانوية صغيرة لإيصال الأدوية وعلاج الأمراض في المناطق المستهدفة بطريقة مدروسة وخاضعة للرقابة. ويتم في هذه الأنظمة دمج الأدوية في هيكل الجسيم النانوي أو يربط الدواء مع سطح الجسيم النانوي.

تعمل الجسيمات النانوية المستخدمة كوسيلة لتوصيل للأدوية عمومًا أقل من 100 نانومتر. وتتكون من مواد مختلفة قابلة للتحلل الحيوي مثل البوليمرات الطبيعية أو الاصطناعية أو الدهون أو المعادن. وأكثر الجسيمات النانوية أهمية هي الجسيمات الشحمية، واتحادات البوليمر، والجسيمات النانوية المعدنية (على سبيل المثال ، AuNPs)، وغيرها. ويتم امتصاص الجزيئات النانوية بواسطة الخلايا بشكل أكثر كفاءة من الجزيئات الدقيقة الأكبر، وبالتالي يمكن استخدامها كنظم نقل وإيصال فعّالة.

ما هي الحاجة إلى تقنيات إيصال الدواء النانوية؟

يؤدي رش الحديقة بالمبيدات الكيماوية لموت الأعشاب الضارة، ولكن تُُقتل معها الزهور الجميلة. هذا نفس ما تفعله جرعات الكيماوي المستخدمة في علاج السرطانات، فعند إطلاقها بشكل حر في الجسم تقوم بقتل الخلايا السرطانية الضارة والخلايا السليمة. كما أن إطلاقها بشكل حر هكذا في الجسم يؤدي لتحلل الجرعة في الجسم، فتصل مخففة وضعيفة للكتلة السرطانية. يؤدي ذلك إلى الحاجة لجرعات أكبر، وكذلك تواتر أكثر من الجرعات مما يؤدي لمزيد من الضرر.

من هذا المثال نستنتج الحاجة الماسة لإنشاء جسيمات نانوية محملة بعلاجات محددة ولها أهداف دقيقة معروفة. مما يحسّن من خصائص العلاجات الدوائية ويزيد من ثباتها ضمن الجسم وتوزعها البيولوجي وقابليتها للذوبان. والأهم من ذلك هو إطلاق جرعات أعلى من الدواء في الموقع المستهدف. وتتمثل الفائدة الأساسية من هذه الأنظمة في تقليل الآثار الضارة للأدوية التقليدية. كما تقلل من كمية الجرعة المستخدمة، وتحسّن من امتصاص الخلايا المستهدفة للدواء المرسل. وتتيح إمكانية عبور الحواجز البيولوجية وتقليل سمية الدواء الحر للخلايا غير المستهدفة. وسيؤدي كل ذلك لزيادة فعالية ونجاح العلاج المقدم. كما ستزيد المدة بين الجرعات، مما يؤدي لفعالية علاجية كبيرة (على سبيل المثال استهدافالخلايا السرطانية).

طرق إيصال الدواء باستخدام الجسيمات النانوية

عن طريق الفم

يعتبر الطريق الفموي أشهر الطرق استخدامًا، وأكثرها ملاءمة وأمان وسلامة. نظرًا لسهولة استخدامها وقبول المريض لها. كما أن طرق تصنيعها غير مكلفة وأرخص في الإنتاج. وتستحب الطريقة الفموية بسبب طبيعتها غير الغازية، حيث يقدم المسار الفموي ميزة تجنب الألم وعدم الراحة المرتبطة بالحقن والتلوث.

فمثلا، يجب أن تقاوم الأدوية النشطة بيولوجيًا مثل الببتيدات والبروتينات بيئات المعدة والأمعاء. لذلك لا تتوافر الببتيدات والبروتينات دوائيًا بشكل فموي. يرجع ذلك أساسًا إلى انخفاض نفاذية الغشاء المخاطي لها، وعدم الاستقرار في بيئة الجهاز الهضمي. مما يؤدي إلى تدهور المركب قبل امتصاصه. ركزت العديد من الدراسات ولسنوات عديدة على تحسين توصيل الببتيدات العلاجية والبروتينات عن طريق الفم. وهكذا تم تطوير استراتيجيات مختلفة لتعزيز إعطاء الدواء واللقاحات عن طريق الفم. لذلك يؤدي ارتباطهم بحاملات غروية مثل الجسيمات النانوية البوليمرية كأحد الأساليب العديدة المقترحة إلى تحسين التوافر البيولوجي عن طريق الفم.

الأنسولين هو الدواء الأكثر فعالية في خفض مستوى الجلوكوز في الدم لعلاج داء السكري. ومن المعروف بالطبع أن حقن الإنسولين واحدة من أشهر العقاقير للتعامل مع السكري. وقد وجدت الدراسات أن للإدخال المبكر للأنسولين قدرة على حماية الجزر الفارزة للإنسولين من موت الخلايا المبرمج، وبالتالي زيادة تجديد خلايا β في مرض السكري من النوع 2. وقد بقيت حقن الأنسولين تحت الجلد هي الطريقة السائدة لتعاطي مرضى السكري للإنسولين، ولكنها غالبًا ما تؤدي إلى ضعف استجابة المريض. ويبدو أن إعطاء الأنسولين عن طريق الفم سيكون الطريقة الأكثر ملاءمة ويمكن أن يحاكي الإنتاج الداخلي للأنسولين. ومع ذلك فإن تركيبة الأنسولين الموثوقة للإعطاء عن طريق الفم تواجه بعض العوائق في الجهاز الهضمي مثل التحلل الأنزيمي في الجهاز الهضمي وضعف نفاذية الأنسولين من خلال نظام الجهاز الهضمي. ولكن يمكن عن طريق النظم النانوية التغلب على تلك المشاكل.

عن طريق الحقن

ظهرت حقن الجسيمات النانوية في بداية التسعينيات كنظام جديد لتوصيل الأدوية الغروية مع مزايا مثل عدم السمية والتوافق الحيوي الممتاز. والتطبيق بالحقن هو مجال واسع، حيث يمكن استخدام الحقن تحت الجلد وداخل الصفاق وداخل المفصل. كما يعتبر الحقن في الوريد أمراً جذاباً للمرضى. وبعد إعطاء حقن الجسيمات النانوية في الجسم الحي، يمكن للدم توزيعها على جميع أعضاء وأنسجة الجسم. كما يمكن للجسيمات النانوية الدهنية الصلبة أن تحمي الدواء المدمج من التحلل الكيميائي في البيئات المختلفة قبل وصولها للهدف بفضل تصميمها المتماسك.

التطبيق الموضعي كالكريمات والمراهم

يسمح التطبيق الموضعي باستخدام دواء قوي نسبيًا مع حد أدنى من مخاطر السمية. حيث يتميز المسار عبر الجلد لتوصيل الدواء بمزايا فريدة من نوعها، حيث يتجاوز الدواء عملية التمثيل الغذائي الأول ويصل إلى الدورة الدموية الجهازية مباشرة. كل هذا يؤدي إلى تعزيز التزام المريض خاصة عند الحاجة إلى علاج طويل الأمد كما هو الحال في علاج الآلام المزمنة وعلاج الإقلاع عن التدخين. ويتضمن التوصيل عبر الجلد تطبيق مركب فعال دوائيًا على سطح الجلد لتحقيق مستويات امتصاص الدم العلاجية لعلاج الأمراض البعيدة عن موقع التطبيق.

ومنذ الموافقة على Transderm-Scop، كأول نظام لتوصيل الأدوية عبر الجلد (TDDS) في عام 1981 ، تفجرت الأبحاث في هذا المجال. وظهرت مجموعة متنوعة من الحالات السريرية المناسبة لتطبيق تلك الطريقة السهلة. حيث يوفر تطبيق اللصقات غير المؤلم وغير الجراحي والصديق للمريض وسيلة مناسبة ومريحة له. كما يسهل إزالة اللصقات في حالة فرط أنسولين الدم مثلا.

ومن أجل تحسين الانتشار الموضعي للعلاجات، كان المسار الموضعي أحد أكثر خيارات التوصيل غير الغازية الواعدة. أدى ذلك إلى تحسين تجاوب المريض. كما أدى إلى تحسين الديناميكية الدوائية للمركبات القابلة للتحلل وتقليل الآثار الجانبية التي تحدث بشكل متكرر. ومع ذلك لا تزال الطرق الموضعية للدواء تواجه تحديًا في المستحضرات الصيدلانية بسبب الصعوبات في ضبط اختراق الجلد، وتحديد وإعادة إنتاج الكمية الدقيقة من الدواء الذي يصل إلى الطبقات بالعمق المطلوب.

عن طريق الأنف والرئة

يوفر توصيل الدواء من خلال المسار الرئوي العديد من المزايا مثل زيادة التركيز الموضعي للدواء في الرئتين، وتحسين عمل المستقبلات الرئوية. كما تزيد من الامتصاص بسبب مساحة السطح الشاسعة والجرعة المنخفضة والتوصيل الموضعي والجهازي للدواء وتقليل الآثار العكسية الجهازية.

 ومع ذلك، لا يزال توصيل الدواء من خلال المسار الرئوي يواجه تحديات أيضًا، مثل الإزالة المخاطية الهدبية، والبلعمة بواسطة البلاعم السنخية، والتي يمكن أن تسبب تدهور الدواء في موقع الامتصاص. وتذوب الجزيئات الكبيرة في سائل القصبات الهوائية (BALF) وتنتشر عبر الظهارة السنخية، حيث يمكن أن يتسبب وجود البلاعم السنخية هنا في تدهور تركيزات الدواء مما يؤدي إلى انخفاض التوافر البيولوجي. وبالتناوب، تمتص الجزيئات الصغيرة بسرعة من خلال ظهارة الرئة والتي يمكن أن تكون مفيدة للإفراز الفوري، ولكنها قد لا تفيد في الإطلاق المستمر. كلتا الحالتين ستنتهي بزيادة وتيرة الجرعات، مما قد يؤدي إلى صعوبة تعاطي العلاج.

درس العلماء التعاطي عن طريق الأنف بسبب سهولة الوصول إليه وطبيعته غير الغازية. كما يسمح مسار الأنف بالتوصيل الموضعي إلى الجهاز التنفسي العلوي (أي منطقة الأنف والأنسجة الأنفية وسوائل الأنف). ويسمح الأنف أيضًا بالتوصيل الدموي وإيصال الأدوية للجهاز العصبي المركزي بسبب مساحة السطح الكبيرة وطبيعة الأوعية الدموية الكثيفة في تجويف الأنف والوصول المباشر إلى منطقة حاسة الشم. وقد أظهر تعاطي الدواء عن طريق الأنف نجاحًا على مر السنين. مما يسمح بتجنب تأثير المرور الأول، وتقليل الآثار الجانبية الجهازية وتجاوز الحاجز الدموي الدماغي (BBB) ​​وزيادة التوافر البيولوجي.

إن توصيل الأدوية الموصلة عن طريق الأنف له أهمية كبيرة محتملة فيما يتعلق بنقل الأدوية مباشرة إلى الدماغ عبر منطقة الشم. فأثبتت الجسيمات النانوية PLGA فعاليتها في توصيل عامل نمو الأرومة الليفية الأساسي (bFGF) مباشرةً إلى الدماغ والمستخدم لعلاج مرض ألزهايمر. كما يمكن أن يكون خيارًا علاجيًا أفضل حتى بالمقارنة مع تعاطي الدواء الحر و/أو الجسيمات النانوية المحملة بالدواء.

وقد تم تطوير الجسيمات النانوية لإنتاج لقاحات على شكل قطرات أنفية بسيطة. وبالتالي يمكن استخدام لقاحات الأنف في المناطق الفقيرة أو الريفية حيث يوجد نقص في عاملي الرعاية الصحية الضروريين لحقن اللقاحات بطرق آمنة.

نظم الإيصال المزروعة (الغرسات)

تعمل الغرسة في الموقع المستهدف بشكل أساسي على توصيل جرعة الدواء من الخزان الخارجي إلى الموقع المستهدف. وقد تحتوي على وظائف أخرى مثل الاستشعار والتحكم في التدفق. ويحتوي الخزان الخارجي على مضخة أو آلية تمكنه من توصيل الدواء إلى الغرسة في الموقع المستهدف عبر قسطرة متصلة بين الجزئين. وقد ظهر هذا النهج لعلاج داء السكري خلال السنوات القليلة الماضية، حيث يوجد خزان مضخة الأنسولين في المنطقة تحت الجلد للمريض بدلاً من زرعها في الموقع المستهدف. مما يتيح لها الحصول على المزيد من الأدوية المتاحة للعلاج.

تطبيقات إيصال الدواء

في الوقت الحاضر يطبق طب النانو في أنظمة توصيل الأدوية لعلاج العديد من الأمراض بما في ذلك السرطان والاضطرابات التنكسية العصبية والسكري والأمراض المعدية.

لعلاج السرطان

منذ اكتشافه يعتبر العلاج الكيميائي هو العلاج الأكثر فعالية لعلاج جميع أنواع السرطانات. وفي الوقت الحاضر، يتم استخدامه قبل كل شيء في الحالات المتقدمة من المرض. ومع ذلك فإن الانتقائية الضعيفة للعلاج الكيميائي ضد الأنسجة تؤدي إلى تدمير الأنسجة السليمة. وتزداد أهمية هذه الآثار الجانبية عندما يكون من الضروري زيادة جرعات الدواء من أجل توفير تركيز مناسب في منطقة الورم. لهذا السبب تمثل تقنية النانو القائمة على أنظمة التوصيل بديلاً محتملاً لإحداث تأثير كبير في علاج السرطان.

خلال العقدين الماضيين، تمت دراسة أنظمة إيصال الدواء النانوية لعلاج السرطان. وتمت الموافقة على بعضها بالفعل من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) لإعطائها للمرضى. وما زال البعض الآخر قيد الدراسات ما قبل السريرية. وتتمثل المزايا الرئيسية لاستخدام أنظمة توصيل الأدوية الدقيقة النانوية في انتقائيتها العالية ضد الخلايا السرطانية التي تقلل إلى حد كبير الآثار الجانبية السامة لعوامل العلاج الكيميائي (مثل السمية الكلوية، والسمية العصبية، والسمية القلبية، وما إلى ذلك). بالإضافة إلى سماحها بتقليل كمية الدواء الذي يتم تناوله لأن حبسه في حامل النانو يحسن من استقرار الدواء، مما يساهم أيضًا في تقليل التأثيرات السامة في الأنسجة السليمة. وتتنوع أنظمة توصيل الأدوية للتطبيقات المضادة للسرطان بين جسيمات شحمية، وجسيمات نانوية بوليمرية، وجسيمات نانوية غير عضوية/المعدنية أو جسيمات نانوية بكتيرية، وغيرها.

لعلاج ألزهايمر

التحدي الأكثر صعوبة الذي يجب على علاج ألزهايمر مواجهته هو عبور الحاجز الدموي الدماغي (BBB). حيث يمنح ذلك الحاجز الجهاز العصبي المركزي (CNS) حيزًا مناعيًا متميزًا، ويمكن تحقيق ذلك العبور باستخدام الجسيمات النانوية. لكن ما زالت المواد المعالجة لألزهايمر غير مكتشفة بعد بسبب التعقيد الهائل للمرض.

لعلاج السكري

أحد أهداف الطب النانوي المطبق على مرضى السكري هو تقليل تواتر الحقن عن طريق استخدام صيغة الجسيمات النانوية طويلة المفعول للأدوية المضادة لمرض السكر. وقد يصبح إعطاء الأنسولين عن طريق الفم الشكل الأكثر تفضيلاً للأدوية المزمنة. ومع ذلك تقلل الحواجز الفيزيائية والكيميائية الحيوية في الجهاز الهضمي من فعاليته. ومن المتوقع أن يؤدي تطبيق أنظمة إيصال الدواء النانوية إلى تحقيق وصول الأدوية سليمة إلى الموقع المستهدف.

نشهد، مع تطور تقنيات النانو، ثورة في تركيب الأدوية بحق، حيث يعد طب النانو بالحل لمشكلة توصيل الدواء إلى خلايا بعينها، وتسهيل انتقال الأدوية عبر الحواجز المختلفة في الجسم بسهولة. وكما رأينا، تمتلك الجسيمات النانوية إمكانات هائلة كنظام فعال لتوصيل الأدوية في حالات الالتهاب والسرطان. ولكن لا تزال هناك حاجة إلى فهم أكبر للآليات المختلفة للتفاعلات البيولوجية وهندسة الجسيمات.

المراجع

jnanobiotechnology

pdfdrive.com: drug delivery approaches and nanosystems

عادةً ما يرتبط تلوين البيض بشم النسيم -وهو عطلة وطنية في مصر، يحتفل المصريون به من جميع الأديان بقدوم الربيع، ويعود تاريخه إلى ما لا يقل عن 2700 ق.م، ويُحتفل به في 25 أبريل- وكذلك يرتبط تلوين بيض شم النسيم بعيد الفصح (عيد القيامة) وهو العيد الذي يحتفل المسيحيون فيه بقيامة يسوع المسيح من بين الموتى في اليوم الثالث بعد صلبه، ويُحتفل به في 17 أبريل من كل عام.

فتُّعدُ عادة تلوين البيض من أشهر وأكثر العادات بهجةً، لكن هل فكرت يومًا في العملية الكيميائية المثيرة في صبغ البيض بتلك الألوان الزاهية؟ وكيف تُلونّ البيض بطرق طبيعية لسلامة صحتك؟ هذا ما سنجيب عنه.

6 طرق لتلوين بيض شم النسيم بألوان طبيعية

لصبغ بيض عيد الفصح (شم النسيم) طبيعيًا، ضف لكل كوب من الماء ما يلي:

1. كوب ملفوف أحمر (كرنب أرجواني) مُقطع؛ سيعطيك لون أزرق على البيض الأبيض، ولون أخضر على البيض البني.
2. معلقة من الكركم المطحون؛ سيعطيك لون أصفر للبيض.
3. كوب من قشر البصل الأصفر؛ سيعطيك لون برتقالي للبيض الأبيض ولون أحمر للبيض البني.
4. كوب من البنجر المبشور (الشمندر)؛ سيعطيك لون وردي للبيض الأبيض، وكستنائي على بيض بني.
5. كيس شاي زنجر أحمر؛ سيعطيك لون لافندر للبيض.
6. كوب من قشر البصل الأحمر؛ سيعطيك لون خزامي أو أحمر للبيض.

أضف الماء ومن ثم مادة الصبغة (الملفوف الأرجواني، الكركدية…) واترك الماء يغلي على نار هادئة لمدة من 15 إلى 30 دقيقة. تصبح جاهزة عندما تكون أغمق بقليل من اللون الذي تريده -أو الدرجة المرادة، فكلما ظلت الصبغة أكثر على النار؛ كان اللون أغمق-. ولتتحقق من اللون أقطر على البيض، ومن ثم صفي الصبغة وأضف الخل للصبغة ومن ثم اسكبها فوق البيض.

العملية الكيميائية في صبغة بيض شم النسيم

بعد اختيارك للألوان التي تريديها وتجهيز المكونات، لنرى الكيمياء في عملية الصباغة.

عند إلقاء صبغة الطعام -التي تُعد الجزيئات الملونة لها هي نفسها أملاح الصوديوم لحمض الفينول- في الماء؛ تسقط أيونات الصوديوم تاركة الجزء سالب الشحنة وراءها.

عند وضع البيضة في خليط حمضي (الخل مثلًا)؛ ستزيد البروتونات الحرة -أيونات الهيدروجين موجبة الشحنة- والتي ستحل محل المفقودة من الصوديوم، سيتفاعل قشر البيض والذي هو عبارة عن كربونات الكالسيوم وبروتين مع الحمض (حمض الأسيتيك في الخل) وينتج غاز ثاني أكسيد الكربون نتيجة التفاعل مع كربونات الكالسيوم؛ لذا ترى الفقاعات على سطح قشر البيض أثناء نقعه. فتبدأ القشرة في الذوبان مما يزيد من مساحة سطح البيضة ويعرض المزيد من البيضة للصبغة.

تتفاعل البروتينات الموجودة في الطبقة الرقيقة من قشر البيض مع الحمض، فتصبح البروتينات موجبة الشحنة. فيكون لسطح البيضة شحنة موجبة تجذب الصبغة سالبة الشحنة مما يجعلها تلتصق أكثر.

هل يمكننا استخدام أي حمض آخر؟

يمكنك استخدام أي حمض منزلي آخر، مثل حمض الستريك بعصير الليمون، ولكن عليك قياس درجة الحموضة التي لابد أن تقترب من 4 (الرقم الهيدروجيني) وذلك باستخدام شرائط الأس الهيدروجيني. فكيف تفعل ذلك؟

فعندما اختبرنا تأثيرات المستويات المختلفة من الخل الأبيض (5٪ من حمض الأسيتيك) على لون البيضة المسلوقة، اختبرنا ستة شروط مختلفة وكنا نضع الورقة ومن ثم يظهر لون، ونقيّم من خلال الشرائط الملونة -الموضحة بالأسفل- لون الورقة قريب من أي منها.

الستة شروط:

الماء النقي (الرقم الهيدروجيني له 7)، كوب الماء مع 1/8 ملعقة صغيرة من الخل (الرقم الهيدروجيني له 6)، كوب الماء مع 1/2 ملعقة صغيرة من الخل (الرقم الهيدروجيني له 5) ، كوب الماء مع ملعقتان صغيرتان من الخل (الرقم الهيدروجيني له 4) ونصف الماء والخل (الرقم الهيدروجيني له 3) والخل النقي (الرقم الهيدروجيني له 3).

يمكنك تكرار تلك الاختبارات مع أي حمض لأن ذلك ضروريًا، لمزيد من البروتونات وذلك يعني المزيد من الروابط الهيدروجينية، وارتباط الألوان أكثر بالبيض.

لماذا تتغير بعض الألوان؟

اللون الذي تراه على البيضة سواء أحمر، أصفر، أزرق، أخضر… يعتمد على كيفية امتصاص كل جزيء من الصبغة طء

للأطوال الموجية الآخرى. فستؤدي الاختلافات الدقيقة في التركيب الجزئي إلى تغيّر لون الصبغة على نحو كبير، فمثلًا إذا استبدلنا ذرة هيدروجين (H) بمجموعة الهيدروكسيل (OH) فسيغير الجزئ العاكس للأزرق إلى جزئ أخضر. لاحظ الصور..

المصادر

• scientific american

• wired

• kitchn

عار علينا أن نعرف الانشطار النووي دون معرفة من صك المصطلح. ليز ميتنر، العالمة العظيمة التي درست الفيزياء النووية والإشعاع النووي، وواحدة من أشهر العلماء في التاريخ. كانت جزءًا من الفريق المُكتشف للانشطار النووي Nuclear Fission، وهي من صاغت المصطلح ذاته. حصلت على جائزة نوبل في الكيمياء وسُميت بأم القنبلة الذرية.

بداياتها العلمية

وُلدت ليز ميتنر في شهر نوفمبر عام 1878 في مدينة فيينا بالنمسا، وكانت الطفلة الثالثة من بين ثمانية أطفال. بسبب القيود النمساوية التي كانت مفروضةً وقتها على تعليم النساء، لم يُسمح لميتنر أن تلتحق بالجامعة كتعليم حكومي، ولكن لحسن الحظ، استطاعت عائلتها أن توفر لها تعليمًا خاصًا انتهت منه عام 1901 لتلتحق بعده بجامعة فيينا. تأسيًا بأستاذها الفيزيائي لودويج بولتزمان، درست ميتنر الفيزياء وركزت أبحاثها على المجال النووي، وبالتحديد الإشعاع النووي، وأصبحت ثاني امرأة تحصل على درجة الدكتوراة من جامعتها عام 1905.

بعد تفوقها، سمح لها الفيزيائي العملاق ماكس بلانك من حضور محاضراته، وهذا ما لم أدهش الجميع؛ فماكس بلانك لم يسمح لأي امرأة بهذا الشرف من قبل! ليس هذا فحسب، بل أصبحت ليز ميتنر مساعدة لماكس بلانك وعملت مع أوتو هان (مكتشف انشطار اليورانيوم) واكتشفا معًا الكثير من النظائر.

ظل العالمان يعملان معًا كشريكين لمدة 30 عامًا. وخلال عملهما على الكثير من الأبحاث، كانا أول من عزل نظير عنصر البروتاكتينيوم 231. أسهم كليهما أيضًا في تفاعلات انحلال بيتا، قبل أن ينضم إليهما الكيميائي القدير “فريتز ستراسمان” ويبهر الثلاثي العالم أجمع بإسهاماتهما، وبالتحديد في كشف آفاقٍ جديدة متعلقة بتفاعلات اليورانيوم المتسلسلة. [1]

صراع من أجل العلم

في عام 1926، بدأت العالمة رحلتها الخاصة مع أبحاثها في الانشطارات النووية، وفي نفس الوقت كانت تعمل كأستاذة بدوام كامل في جامعة برلين. معظم طموحات ليز ميتنر كانت مرتبطة بأبحاثها التي لم تخرج من النطاق النظري، ولكن الآلاف تيقنوا من انتظار جائزة نوبل للعالمة الطموحة.

عندما تولى هتلر مقاليد الحكم، ثبط من أبحاث ليز ميتنر مما تسبب في إحباطها، ولكن ميتنر كانت أكثر حظًا من زملائها الألمان بسبب جنسيتها النمساوية التي حمتها مؤقتًا من تسلط المختل صاحب المئة وسبعة وثلاثين سنتيمتر، ولكن القدر كان له رأي آخر؛ تمكنت ليز من انتزاع حريتها والفرار عن طريق الحدود الهولندية عام 1938.

وصلت ليز إلى السويد وتابعت أبحاثها الدؤوبة في ستوكهولم. عملت في مختبر Manne Siegbahn وبدأت مشاريع جديدة مع العملاق نيلز بور.

ظلت ليز ميتنر تعمل في السويد حتى بعد انتهاء الحرب العالمية الثانية، كان هذا قبل انتقالها للولايات المتحدة الأمريكية لتعطي محاضراتها هناك. [2]

ما استحقته ليز ميتنر

على الرغم من إسهاماتها العلمية الثورية، إلا أن ليز ميتنر تعد تمثيلًا جليًا للعلماء المهضوم حقهم في التاريخ. احتج الكثيرون على عدم حصولها على جائزة نوبل، ولكن يجب ألا ننسى أن أوتو هان لم يكن ليحصل عليها لولا إسهامات ميتنر.

في 1966 حصل الثلاثي، ليز ميتنر، وأتو هان، وفريتز ستراسمان على جائزة إنريكو فيرمي؛ والتي يتم منحها للعلماء الدوليين تكريمًا لهم ولإسهاماتهم في تطوير أو استخدام أو إنتاج الطاقة.

وبسبب قوة إسهاماتها في المجال النووي عمومًا، والإشعاع خصوصًا، يعتبر الجميع عالمتنا الجليلة لهذا اليوم “أكثر عالمة تأثيرًا في القرن العشرين.” لم نكن لنصل إلى هنا في الفيزياء النووية لولاها. الجدير بالذكر أيضًا أن أحد أثقل العناصر في الجدول الدوري، وهو عنصر الماتنريوم 109 سُمي كذلك تيمنًا بليز متنر. [3]

المصادر:

1- Live Science
2- Atomic Heritage foundation
3- Oxford