الترسيب الكيميائي بدون كهرباء

الترسيب الكيميائي (ED) أو الطلاء الكيميائي هو عملية كيميائية يتم من خلالها ترسيب المعادن وسبائكها على سطح ما. ^{[ 1 ] [ 2 ]} يعتمد الترسيب الكيميائي على تفاعل كيميائي يؤدي إلى ترسيب المعدن وتغطية الأسطح المجاورة. يميز مصطلح "كيميائي" هذه العملية الكيميائية عن الطلاء الكهربائي ، الذي يستخدم تيارًا كهربائيًا خارجيًا لترسيب المعدن على الأسطح. وبالتالي، يمكن أن يحدث الترسيب الكيميائي على أسطح غير موصلة، مما يتيح طلاء مواد متنوعة تشمل البلاستيك والسيراميك والزجاج، وغيرها. يمكن أن تكون الأغشية المنتجة بالترسيب الكيميائي زخرفية، ومقاومة للتآكل، وموصلة للكهرباء. تشمل التطبيقات الشائعة للترسيب الكيميائي الأغشية والمرايا التي تحتوي على النيكل و/أو الفضة. ^{[ 3 ]}

يُغيّر الترسيب الكيميائي الخصائص الميكانيكية والمغناطيسية والإجهاد الداخلي والتوصيلية ولمعان الركيزة. ^{[ 1 ] [ 4 ]} وقد ازدهر أول تطبيق صناعي للترسيب الكيميائي من قِبل شركة ليونهاردت للطلاء في مجال طلاء المعادن للبلاستيك، ^{[ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]} والمنسوجات، ^{[ 7 ]} ومنع التآكل، ^{[ 8 ]} والمجوهرات. ^{[ 1 ]} وتستخدم صناعة الإلكترونيات الدقيقة الترسيب الكيميائي في تصنيع لوحات الدوائر والأجهزة شبه الموصلة والبطاريات وأجهزة الاستشعار. ^{[ 1 ]}

تُعدّ عملية الطلاء الكهربائي أرخص عمومًا من الترسيب الكهربائي. ^{[ 9 ]} على عكس الترسيب الكهربائي، يقتصر الطلاء الكهربائي على الترسيب على المواد الموصلة أو شبه الموصلة. ونظرًا لاحتياجه إلى تيار كهربائي ، فإنّ أجهزة الطلاء الكهربائي أكثر تعقيدًا. ^{[ 4 ]} أما الترسيب الكيميائي فيُرسب المعادن على هياكل ثنائية وثلاثية الأبعاد، بينما تقتصر طرق الطلاء الأخرى، مثل الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) والترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، على الأسطح ثنائية الأبعاد. ^{[ 10 ]} يتميز الترسيب الكيميائي عن طرق الترسيب الأخرى، كالترسيب الفيزيائي للبخار والترسيب الكيميائي للبخار والطلاء الكهربائي، بإمكانية إجرائه في الظروف المحيطة. ^{[ 4 ]} كما يُمكن للترسيب الكيميائي إنتاج طبقات متجانسة للغاية على هياكل معقدة كالأغشية المسامية. ^{[ 11 ]}

يعود أقدم تطور معروف للطلاء الكيميائي إلى حضارة موتشي في شمال بيرو، حوالي عام 100-500 ميلادي. طوّر الموتشي عملية استبدال كهروكيميائية لترسيب طبقات رقيقة من الذهب (1-2 ميكرون) على القطع النحاسية دون استخدام تيار كهربائي خارجي. تضمنت العملية إذابة الذهب في محلول كيميائي باستخدام معادن طبيعية مثل كبريتات الحديديك والشبة، ثم ضبط درجة الحموضة لمنع التآكل المفرط قبل غمر القطع النحاسية في المحلول. تترسب أيونات الذهب تلقائيًا على سطح النحاس من خلال تفاعل كيميائي ذاتي التحفيز. استُخدمت هذه التقنية على نطاق واسع في صناعة القطع الزخرفية والاحتفالية، وسبقت اكتشاف الغرب للطلاء الكيميائي بحوالي 1700 عام. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

في العالم الغربي، يُنسب اكتشاف الترسيب الكيميائي إلى تشارلز وورتز الذي لاحظ في عام 1846 أن محلول النيكل والفوسفور يُشكّل تلقائيًا مسحوقًا أسود. بعد 70 عامًا، أعاد فرانسوا أوغست رو اكتشاف عملية الترسيب الكيميائي وحصل على براءة اختراع لها في الولايات المتحدة تحت اسم "عملية إنتاج رواسب معدنية". ^{[ 14 ]} قام رو بترسيب النيكل والفوسفور (Ni-P) على ركيزة باستخدام الترسيب الكيميائي، لكن اختراعه لم يُسوّق تجاريًا. ^{[ 15 ] [ 14 ]} في عام 1946، أعاد أبنر برينر وغريس إي. ريدل اكتشاف العملية أثناء عملهما في المكتب الوطني الأمريكي للمعايير . ^{[ 14 ] [ 16 ] [ 17 ]} وقدما اكتشافهما في مؤتمر جمعية الطلاء الكهربائي الأمريكية (AES) لعام 1946. بعد عام، وفي المؤتمر نفسه، اقترحوا مصطلح "الطلاء الكيميائي" لهذه العملية، ووصفوا تركيبات محاليل محسّنة، ^{[ 18 ]} مما أسفر عن تسجيل براءة اختراع. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} مع ذلك، لم يستفد أبنر ولا ريدل ماليًا من براءة الاختراع المسجلة. ^{[ 21 ]} قامت شركة ليونهاردت للطلاء في سينسيناتي بتسويق ترسيب النيكل والفوسفور، تلتها شركة كانيجين المحدودة في اليابان، وكان لذلك أثر ثوري. ^{[ 15 ] [ 1 ]} صممت شركة ليونهاردت وسجلت براءات اختراع لعدة محاليل ترسيب، بما في ذلك طلاء معادن مثل البلاتين والقصدير والفضة وسبائكها. ^{[ 14 ] [ 20 ]}

يُستخدم تفاعل تولنز غالبًا في العروض العلمية لظاهرة التحلل الكهربائي. يُرسب كاشف تولنز طبقة فضية معدنية عاكسة على الزجاج، ويُستخدم في طلاء المرايا بالفضة . ^{[ 22 ] [ 23 ]} وقد استُخدم هذا التفاعل سابقًا للكشف عن الألدهيدات في محلول قاعدي من نترات الفضة. ^{[ 22 ]}

يمكن تحليل عملية ED على أنها أربع خطوات: ^{[ 1 ]}

1. تُنظف المعالجة المسبقة أو الوظيفية للركيزة سطحها لإزالة أي ملوثات تؤثر على حجم الجسيمات النانوية ، مما يؤدي إلى ضعف عملية الطلاء. وتحدد هذه المعالجة مسامية ترسيب المعدن الأساسي، وموقع بدء الترسيب. ^{[ 1 ] [ 24 ]}
2. التحسيس هو أيون منشط يمكنه اختزال المعدن النشط في حمام الترسيب، مما يوفر مواقع تحفيزية لمزيد من الترسيب ("القالب"). ^{[ 1 ] [ 24 ]}
3. يعمل التنشيط على تسريع عملية الترسيب من خلال العمل كبذرة محفزة على سطح الركيزة لطبقة المعدن النهائية في حمام الترسيب الكيميائي. ^{[ 1 ] [ 24 ]}
4. الترسيب الكيميائي هو العملية التي يتم من خلالها اختزال كاتيون المعدن إلى معدن عنصري باستخدام عامل اختزال قوي. ^{[ 1 ] [ 24 ]}

يتكون حمام الترسيب الكيميائي النموذجي من العديد من المكونات:

1. مصدر كاتيونات معدنية يُوفّره ملح معدني (مثل Cu²⁺ ^من CuSO₄ و _Ni²⁺ من NiCl₂ ⁾ . تُذاب الأملاح المعدنية في المحلول المائي أولًا. ^{[ 4 ]} يبلغ التركيز النموذجي للملح المعدني 30 غ/ _لتر . ^{[ 3 ]}
2. العامل المختزل (أو المختزل)، الذي يمنح الإلكترونات إلى الكاتيون المعدني. تشمل العوامل المختزلة الشائعة الفورمالديهايد ، وبوروهيدريد الصوديوم ، والجلوكوز ، وهيبوفوسفيت الصوديوم ، وبيروكسيد الهيدروجين ، وحمض الأسكوربيك . ^{[ 1 ] [ 4 ]}
3. تُضاف مواد كيميائية أخرى ، بل العديد منها، لتعديل معدل الترسيب وطبيعة الأغشية الناتجة. بعضها يعمل كعامل مُنظِّم، والبعض الآخر كمثبتات للتحكم في معدل الترسيب. تُحضَّر الأسطح لعملية الترسيب الكهربائي عن طريق التحسيس، وغالبًا ما يتم ذلك بمعالجة مسبقة باستخدام كلوريد القصديروز .

من منظور الديناميكا الحرارية ، تخضع العملية لمعادلة نرنست: ${\displaystyle E=E^{0}-({0.592}|{2})log(Q)}$ يمثل E جهد التفاعل، وE₀ ^جهد الاختزال القياسي لتفاعل الأكسدة والاختزال، وQ تركيز النواتج مقسومًا على تركيز المتفاعلات${\displaystyle [النواتج/المتفاعلات]}$.

يتحدد معدل الترسيب بحركية التحفيز الذاتي، أي كفاءة الجزر المعدنية (أو السبيكة) المترسبة مبدئيًا في تسهيل الاختزال الإضافي لأملاح المعدن. في حمام من كلوريد النيكل وهيبوفوسفيت الصوديوم عند 90  درجة مئوية، يبلغ معدل الترسيب 15  مم/ساعة. ^{[ 3 ]}

تعتمد القدرة الاختزالية للمواد الكيميائية على الرقم الهيدروجيني (pH). عند الرقم الهيدروجيني 0، يكون جهد الاختزال القياسي للفورمالديهايد (E0) 0.056 فولت، بينما عند الرقم الهيدروجيني 14، يكون E0 ^{= -1.070} فولت. ^{[ 25 ]} يُعد الفورمالديهايد (عند الرقم الهيدروجيني 14) عامل اختزال أكثر ملاءمةً منه عند الرقم الهيدروجيني 0 نظرًا لانخفاض جهد الاختزال القياسي السالب، مما يجعله عامل اختزال قويًا. ^{[ 24 ]} يُوضح مخطط بوربيه اعتماد الجهد على الرقم الهيدروجيني .

• ترسيب النحاس بدون كهرباء
• ترسيب النيكل والبورون بدون استخدام الكهرباء
• المواد النانوية
• تقنية النانو