زجاج مسامي

الزجاج المسامي هو زجاج يحتوي على مسامات، عادة ما تكون في نطاق النانومتر أو الميكرومتر ، ويتم تحضيره عادة بإحدى العمليات التالية: من خلال فصل الطور شبه المستقر في زجاج البوروسيليكات (مثل نظام SiO2 _- B2O3 _- Na2O _{) ،} متبوعًا بالاستخلاص السائل لأحد الأطوار المتكونة؛ ^{[ 1 ] [ 2 ]} من خلال عملية سول-جل ؛ أو ببساطة عن طريق تلبيد مسحوق الزجاج .

تُعدّ الخصائص الفريدة والتوافر التجاري للزجاج المسامي من أكثر المواد الصلبة غير المتبلورة التي خضعت للدراسة والتحليل على نطاق واسع . وبفضل إمكانية نمذجة بنيته المجهرية ، يتمتع الزجاج المسامي بإمكانات هائلة كنظام نموذجي. كما يتميز بمقاومة كيميائية وحرارية وميكانيكية عالية، ناتجة عن شبكة السيليكا الصلبة وغير القابلة للانضغاط . ويمكن إنتاجه بجودة عالية وبأحجام مسام تتراوح من 1  نانومتر إلى أي قيمة مطلوبة. وتُتيح سهولة تعديل سطحه الداخلي مجالًا واسعًا من التطبيقات للزجاج المسامي.

ومن المزايا الخاصة الأخرى للزجاج المسامي مقارنة بالمواد المسامية الأخرى، أنه يمكن تصنيعه ليس فقط على شكل مسحوق أو حبيبات، ولكن أيضًا على شكل قطع أكبر بأي شكل وملمس يحدده المستخدم تقريبًا.

في النصف الأول من القرن العشرين، اكتشف تيرنر ووينكس إمكانية استخلاص المواد من زجاج البوروسيليكات باستخدام الأحماض. وأظهرت دراساتهما أن المعالجة الحرارية لا تؤثر فقط على الاستقرار الكيميائي، بل تؤثر أيضًا على الكثافة ، ومعامل الانكسار ، والتمدد الحراري ، واللزوجة . وفي عام ١٩٣٤، اكتشف نوردبيرغ وهود أن زجاج البوروسيليكات القلوي ينفصل إلى طورين: طور قابل للذوبان (غني ببورات الصوديوم) وطور غير قابل للذوبان (غني بالسيليكا) عند معالجته حراريًا. وباستخدام الأحماض المعدنية، يمكن إزالة الطور القابل للذوبان، وتبقى شبكة سيليكا مسامية. وخلال عملية التلبيد بعد الاستخلاص، يتكون زجاج سيليكا ذو خصائص تقارب خصائص زجاج الكوارتز . وقد نُشرت عملية تصنيع هذا النوع من الزجاج عالي السيليكا تحت اسم عملية VYCOR .

في الأدبيات العلمية، يُعرف الزجاج المسامي بأنه مادة مسامية تحتوي على ما يقارب 96% من السيليكا ، ويتم إنتاجها عن طريق الاستخلاص الحمضي أو الاستخلاص الحمضي والقلوي معًا، على التوالي، لزجاج البوروسيليكات القلوي ذي الطورين المنفصلين ، ويتميز ببنية مجهرية مسامية ثلاثية الأبعاد مترابطة. ويُستخدم مصطلحا "زجاج VYCOR المسامي" (PVG) و"الزجاج ذو المسام المتحكم بها" (CPG) للإشارة إلى أنواع الزجاج المسامي المتوفرة تجاريًا. تتكون بنية المسام من نظام قنوات متشابكة، وتتراوح مساحتها السطحية النوعية من 10 إلى 300 متر مربع ^/ غرام. يمكن إنتاج الزجاج المسامي عن طريق الاستخلاص الحمضي لزجاج البوروسيليكات القلوي ذي الطورين المنفصلين، أو عن طريق عملية سول-جل. ومن خلال ضبط معايير التصنيع، يُمكن إنتاج زجاج مسامي بحجم مسام يتراوح بين 0.4 و1000  نانومتر ضمن نطاق ضيق جدًا من أحجام المسام. يمكنك إنشاء قوالب متنوعة، على سبيل المثال، جزيئات غير منتظمة (مسحوق، حبيبات)، كرات، صفائح، أعواد، ألياف، أغشية رقيقة للغاية، أنابيب وحلقات.

يُعدّ الإلمام بالمعايير المُحدِّدة والمُتحكِّمة في بنية الزجاج المسامي شرطًا أساسيًا لتصنيعه بشكل متكرر. ويُعتبر تركيب الزجاج الأولي أحد المعايير المُتحكِّمة في البنية، بينما تُعدّ عملية تصنيع الزجاج الأولي، ولا سيما عملية التبريد، ودرجة حرارة المعالجة الحرارية ومدتها، والمعالجة اللاحقة، من المعايير المُحدِّدة للبنية. ويُظهر مخطط الطور لزجاج بوروسيليكات الصوديوم فجوة امتزاج لبعض تركيبات الزجاج.

تقع درجة الحرارة الحرجة العليا عند حوالي 760  درجة مئوية، والدنيا عند حوالي 500  درجة مئوية. كانت مولتشانوفا أول من وصف تعريف الانفصال الطوري بدقة. ولحدوث انفصال طوري، يجب أن يقع التركيب الزجاجي الأولي ضمن فجوة امتزاج الصوديوم الثلاثي .₂ O-B₂ O₃ -SiO_{نظام زجاجي ثنائي الطبقات} . من خلال المعالجة الحرارية، تتولد بنية متداخلة ناتجة عن تفكك طور البورات الغني بالصوديوم وطور السيليكا. تُسمى هذه العمليةبالتفكك الأولي. باستخدام تركيبة زجاجية أولية تقع على خط الشذوذ، يُمكن الوصول إلى أقصى تفكك، يكاد يكون خاليًا من الإجهاد.

نظرًا لاختلاف مقاومة كلتا المرحلتين للماء والأحماض المعدنية ومحاليل الأملاح غير العضوية، يمكن إزالة مرحلة البورات الغنية بالصوديوم من هذه الأوساط عن طريق الاستخلاص. ولا يُمكن تحقيق الاستخلاص الأمثل إلا باختيار التركيب الزجاجي الأولي والمعالجة الحرارية بحيث تتشكل هياكل مركبة، وليس هياكل قطرات. ويتأثر نسيج الزجاج بتركيب الزجاج الأولي، الذي يُحدد حجم ونوع مناطق التحلل. وفي سياق الزجاج المسامي، يشمل "النسيج" خصائص مثل حجم المسام النوعي، والمساحة السطحية النوعية، وحجم المسام، والمسامية. علاوة على ذلك، يتأثر نسيج الزجاج المسامي بتركيز وسط الاستخلاص ونسبة السائل إلى الصلب. وتعتمد مناطق التحلل الناشئة على مدة ودرجة حرارة المعالجة الحرارية.

كذلك، تذوب السيليكا الغروية في طور البورات الغني بالصوديوم عند زيادة مدة ودرجة حرارة المعالجة الحرارية. تُعرف هذه العملية بالتحلل الثانوي. تترسب السيليكا الغروية في المسامات الكبيرة أثناء الاستخلاص، مما يحجب بنية المسام الحقيقية. تكون ذوبانية السيليكا الغروية في المحاليل القلوية أعلى من ذوبانية السيليكا الشبكية، وبالتالي يمكن إزالتها بمعالجة لاحقة قلوية.

بفضل استقرارها الميكانيكي والحراري والكيميائي العالي، وإمكانية تصنيعها بأحجام مسام متنوعة مع توزيع دقيق لأحجام المسام، وتنوع تعديلات سطحها، تُتيح هذه المواد نطاقًا واسعًا من التطبيقات. كما أن إمكانية إنتاج الزجاج المسامي بأشكال مختلفة تُعدّ ميزة إضافية تُسهّل استخدامه في مجالات الصناعة والطب والصيدلة والبحوث والتكنولوجيا الحيوية وتكنولوجيا الاستشعار.

تُعدّ الزجاجيات المسامية مثالية لفصل المواد، نظرًا لصغر حجم مساماتها. ولذلك تُستخدم في كروماتوغرافيا الغاز، وكروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة، وكروماتوغرافيا التقارب. ويمكن تكييف الطور الثابت لمشكلة الفصل من خلال تعديل سطح الزجاج المسامي بشكل خاص.

في مجال التقنية الحيوية، تُفيد الزجاجيات المسامية في تنظيف الحمض النووي وتثبيت الإنزيمات أو الكائنات الدقيقة.  كما يُعدّ الزجاج ذو المسام المُتحكَّم بها (CPG)، الذي تتراوح أحجام مسامه بين 50 و300 نانومتر، مناسبًا جدًا لتخليق قليل النوكليوتيدات . في هذا التطبيق، يتم أولًا ربط رابط، سواء كان نيوكليوزيدًا أو مركبًا غير نيوكليوزيدي، بسطح الزجاج ذي المسام المُتحكَّم بها. ويعتمد طول سلسلة قليل النوكليوتيدات المُنتَجة على حجم مسام الزجاج ذي المسام المُتحكَّم بها.

بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الزجاجيات المسامية في تصنيع الغرسات، وخاصة غرسات الأسنان، حيث يُعالج مسحوق الزجاج المسامي مع البلاستيك لتكوين مادة مركبة. ويؤثر حجم الجسيمات وحجم المسام على مرونة هذه المادة المركبة، مما يسمح بمطابقة خصائصها البصرية والميكانيكية مع الأنسجة المحيطة، مثل مظهر وصلابة مينا الأسنان.

بفضل القدرة على تشكيل الزجاج المسامي على هيئة صفائح، تُعدّ تقنية الأغشية مجالًا تطبيقيًا هامًا آخر. ومن تطبيقاتها الترشيح الفائق لمياه البحر والمياه قليلة الملوحة، والترشيح الفائق في عمليات المعالجة اللاحقة. إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما تكون هذه التقنية مناسبة كحامل للمحفزات. فعلى سبيل المثال، تمّ تحقيق تفاعل تبادل الأوليفينات باستخدام نظام المعدن-أكسيد المعدن/الزجاج المسامي.

يمكن استخدام الزجاج المسامي كمفاعلات غشائية أيضًا، وذلك بفضل استقراره الميكانيكي والحراري والكيميائي العالي. تُحسّن المفاعلات الغشائية من كفاءة تحويل التفاعلات ذات التوازن المحدود، حيث يُزال أحد نواتج التفاعل بواسطة غشاء انتقائي. على سبيل المثال، في تحلل كبريتيد الهيدروجين على محفز داخل أنبوب شعري زجاجي، كانت نسبة التحويل أعلى عند استخدام الأنبوب الشعري الزجاجي مقارنةً بعدم استخدامه.

• فيكور
• مواد زجاجية نانوية القنوات

• دبليو إي إس تيرنر؛ إف وينكس (1926). مجلة جمعية تكنولوجيا الزجاج . 102 .{{cite journal}}: مفقود أو فارغ |title=( مساعدة )
• واو جانوفسكي؛ دبليو هاير (1982). Poröse Gläser – Herstellung وEigenschaften وAnwendungen . VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie، لايبزيغ.
• فريدل (2001). دبلوماسية، هالي.{{cite book}}: مفقود أو فارغ |title=( مساعدة )
• ف. جانوفسكي (1993). ماشيننماركت . 99 : 28 – 33 .{{cite journal}}: مفقود أو فارغ |title=( مساعدة )
• أو إس مولتشانوا (1957). الزجاج والسيراميك . 14 : 5-7 .{{cite journal}}: مفقود أو فارغ |title=( مساعدة )
• واو وولف؛ دبليو هاير (1968). "تعديل النظارات المسامية عند تشغيلها في كروماتوغرافيا الغاز". جي كروماتوجر . 35 : 489-496 . دوى : 10.1016/s0021-9673(01)82414-6 .
• شولر جي إم بي إتش (1999). “علوم الحياة – Mehr als nur poröse Gläser (Anwenderbericht)”. لابو9 : 26-28 .
• معلومات شوت . 53. 1990.{{cite journal}}: مفقود أو فارغ |title=( مساعدة )
• م. هيرمان (VitraBio GmbH) (2007). "Verfahren zur Herstellung eines porösen Glases und Glaspulvers und Glaswerkstoff zum Ausführen des Verfahrens". وو 098778.{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
• بي دبليو ماكميلان؛ سي إي ماثيوز (1976). "الزجاج المسامي الدقيق للتناضح العكسي". مجلة علوم المواد 11 ( 7): 1187-1199 . Bibcode : 1976JMatS..11.1187M . doi : 10.1007/bf00545135 . S2CID 137379816 . 
• ف. يانوفسكي؛ أ. سوفيانوس؛ ف. وولف (1979). "دور حموضة محفزات MoO3−SiO2 وWO3−SiO2". رسائل حركية التفاعل والتحفيز 12 (2): 443. doi : 10.1007/BF02071904 . S2CID 102283765 . 
• جي آر جافالاس؛ سي إي ميغيريس؛ إس دبليو نام (1989). "ترسيب أغشية SiO2 ذات نفاذية انتقائية للهيدروجين". مجلة الهندسة الكيميائية والعلوم 44 ( 9): 1829. doi : 10.1016/0009-2509(89)85125-5 .
• م. كونيغ (2008). تصميم وخصائص النانو مونوليث على قاعدة المسام الزجاجية مع الشكل الهندسي الأمثل للإجابة على تقنية الاستشعار . دبلوماسية، هالي.

• انفصال الطور في زجاج البوروسيليكات وزجاج سيليكات القلويات الترابية