كريات زجاجية مجهرية

الكريات الزجاجية المجهرية هي كريات زجاجية دقيقة تُصنع لاستخدامات متنوعة في البحث العلمي ، والطب ، والسلع الاستهلاكية ، والعديد من الصناعات. يتراوح قطر الكريات الزجاجية المجهرية عادةً بين 1 و1000 ميكرومتر، مع إمكانية أن يتراوح قطرها بين 100 نانومتر و5 مليمترات. أما الكريات الزجاجية المجهرية المجوفة، والتي تُسمى أحيانًا بالبالونات المجهرية أو الفقاعات الزجاجية ، فيتراوح قطرها بين 10 و300 ميكرومتر .

تُستخدم الكرات المجوفة كحشو خفيف الوزن في المواد المركبة مثل الرغوة التركيبية والخرسانة خفيفة الوزن . ^{[ 1 ]} تمنح الكرات المجهرية الرغوة التركيبية خفة وزنها، وانخفاض موصليتها الحرارية ، ومقاومتها للإجهاد الانضغاطي التي تفوق بكثير مقاومة أنواع الرغوة الأخرى. ^{[ 2 ]} تُستغل هذه الخصائص في هياكل الغواصات ومعدات حفر آبار النفط في أعماق البحار، حيث تنهار أنواع الرغوة الأخرى. تُصنع الرغوات التركيبية ذات الخصائص المختلفة من كرات مجوفة مصنوعة من مواد أخرى: على سبيل المثال، يمكن للبالونات الخزفية أن تُصنع رغوة ألومنيوم تركيبية خفيفة الوزن . ^{[ 3 ]}

تُستخدم الكرات المجوفة في تطبيقات متنوعة، بدءًا من تخزين الأدوية والمواد المشعة وإطلاقها ببطء، وصولًا إلى أبحاث التخزين المتحكم فيه للهيدروجين وإطلاقه . ^{[ 4 ]} كما تُستخدم الكريات المجهرية في المواد المركبة لملء راتنجات البوليمر لتحقيق خصائص محددة، مثل الوزن، وسهولة الصنفرة، وإمكانية إحكام إغلاق الأسطح. فعلى سبيل المثال، عند صناعة ألواح التزلج على الماء، يقوم المصممون بإغلاق قوالب رغوة البوليسترين الموسع (EPS) باستخدام الإيبوكسي والكرات المجهرية لإنشاء سطح غير منفذ وسهل الصنفرة، تُطبق عليه صفائح الألياف الزجاجية.

يمكن تصنيع الكريات الزجاجية المجهرية عن طريق تسخين قطرات صغيرة من زجاج الماء المذاب في عملية تُعرف باسم التحلل الحراري بالرش فوق الصوتي (USP)، ويمكن تحسين خصائصها إلى حد ما باستخدام معالجة كيميائية لإزالة بعض الصوديوم . ^{[ 5 ]} كما سمح استنفاد الصوديوم باستخدام الكريات الزجاجية المجهرية المجوفة في أنظمة الراتنج الحساسة كيميائيًا، مثل الإيبوكسيات ذات فترة صلاحية طويلة أو مركبات البولي يوريثان غير المنفوخة.

تُضاف وظائف إضافية، مثل طلاءات السيلان، بشكل شائع إلى سطح الكريات الزجاجية المجوفة لزيادة قوة التماسك بين المصفوفة والكرات المجهرية (نقطة الفشل الشائعة عند تعرضها للإجهاد بطريقة الشد).

يمكن إنتاج الكريات المجهرية المصنوعة من الزجاج البصري عالي الجودة لأغراض البحث في مجال الرنانات أو التجاويف البصرية . ^{[ 6 ]}

تُنتج الكريات الزجاجية المجهرية أيضًا كمنتج ثانوي في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم . في هذه الحالة، يُطلق على المنتج عمومًا اسم " الكريات المجوفة" (Censosphere )، وتتميز بتركيب كيميائي من الألومينوسيليكات (على عكس تركيب سيليكات الصوديوم المستخدم في الكريات المصنعة). تنصهر كميات صغيرة من السيليكا الموجودة في الفحم، وعندما تصعد عبر المدخنة، تتمدد لتشكل كريات مجوفة صغيرة. تُجمع هذه الكريات مع الرماد، الذي يُضخ ممزوجًا بالماء إلى سد الرماد. بعض الجزيئات لا تصبح مجوفة وتغرق في سدود الرماد، بينما تطفو الكريات المجوفة على سطحها. تُصبح هذه الكريات مصدر إزعاج، خاصةً عندما تجف، إذ تنتشر في الهواء وتطير إلى المناطق المحيطة.

استُخدمت الكريات المجهرية لإنتاج مناطق بؤرية تُعرف باسم النفاثات النانوية الضوئية ^{[ 7 ]} ، وهي كبيرة بما يكفي لدعم الرنين الداخلي، ولكنها في الوقت نفسه صغيرة بما يكفي بحيث لا يمكن تطبيق البصريات الهندسية لدراسة خصائصها. وقد أثبتت الأبحاث السابقة، تجريبيًا وعن طريق المحاكاة، استخدام الكريات المجهرية لزيادة شدة الإشارة المُحصل عليها في تجارب مختلفة. وتأكد وجود النفاثة الضوئية على نطاق الموجات الميكروية، من خلال ملاحظة تعزيز التشتت العكسي الذي حدث عند إدخال جسيمات معدنية في منطقة البؤرة. وقد تم الحصول على تعزيز قابل للقياس للضوء المتشتت عكسيًا في النطاق المرئي عند وضع جسيم نانوي من الذهب داخل منطقة النفاثة النانوية الضوئية الناتجة عن كريات مجهرية عازلة بقطر 4.4 ميكرومتر. كما تم تحليل استخدام النفاثات النانوية المُنتجة بواسطة كريات مجهرية شفافة لإثارة المواد النشطة بصريًا، في ظل عمليات تحويل التردد باستخدام أعداد مختلفة من فوتونات الإثارة. ^{[ 8 ]}

تتميز الكريات الزجاجية أحادية التشتت بدرجة عالية من الكروية وتوزيع دقيق للغاية لحجم الجسيمات، حيث يقل معامل التباين غالبًا عن 10%، وتكون نسبة الجسيمات ضمن النطاق الحجمي المحدد أكثر من 95%. تُستخدم هذه الجسيمات الزجاجية عادةً كفواصل في المواد اللاصقة والطلاءات، مثل فواصل خطوط الربط في الإيبوكسي. يكفي استخدام كمية صغيرة من الكريات الزجاجية أحادية التشتت المُخصصة للفواصل لإنشاء فجوة مضبوطة، بالإضافة إلى تحديد سُمك خط الربط والحفاظ عليه. كما يمكن استخدام هذه الجسيمات كمعايير معايرة وجسيمات تتبع لتأهيل الأجهزة الطبية. تُستخدم الكريات الزجاجية الكروية عالية الجودة في شاشات البلازما الغازية، ومرايا السيارات، والشاشات الإلكترونية، وتقنية الرقائق المقلوبة، والمرشحات، والمجاهر، والمعدات الإلكترونية.

وتشمل التطبيقات الأخرى الرغوات التركيبية ^{[ 9 ]} والمركبات الجزيئية والدهانات العاكسة.

قد يكون توزيع الكريات المجهرية مهمة صعبة. عند استخدامها كحشو في آلات الخلط والتوزيع القياسية، قد تصل نسبة التكسر إلى 80%، وذلك تبعًا لعوامل مثل نوع المضخة، ولزوجة المادة، وتحريكها، ودرجة الحرارة. يمكن لأجهزة التوزيع المصممة خصيصًا للمواد المملوءة بالكريات المجهرية أن تقلل من نسبة التكسر إلى أدنى حد. تُعد مضخة التجويف التدريجي الخيار الأمثل لتوزيع المواد المحتوية على الكريات المجهرية، حيث يمكنها تقليل التكسر بنسبة تصل إلى 80%.

• تخزين الهيدروجين