أنوديك ألومينا

يشير مصطلح "أنوديك ألومينا" إلى سطح ألومنيوم معالج بأكسيد الألومنيوم الكهروكيميائي، مما ينتج عنه طبقة نهائية متينة ومقاومة للتآكل بشكل استثنائي لا تتشقق أو تتقشر أو تتقشر أبدًا - وهي أكثر صلابة بثلاث مرات من الألومنيوم القياسي وأخف وزنًا ب 60%!

سوف يتعمق هذا المقال في أساسيات واستخدامات الألومينا الأنوديك المسامية، بما في ذلك استخدامها كقالب لزراعة الأسلاك النانوية والأنابيب النانوية لإنتاج مواد خارقة ذات خصائص فريدة من نوعها.

الخصائص

تعتبر الألومينا المسامية الأنودية (NPA)، والتي يشار إليها أيضًا باسم الألومينا المؤكسدة النانوية (NAA)، مادة مثيرة للاهتمام ذات تطبيقات مختلفة بسبب هياكلها المسامية الكثيفة والمنظمة ذات المسام التي يبلغ قطرها النانومترية. وقد أوجدت هذه المسام فرصاً جديدة في مجالات مثل التلوين الهيكلي والضوئيات في حين أنها تعمل كقوالب لإنشاء مواد مثل الأسلاك النانوية أو الأنابيب النانوية لتطوير مواد خارقة ذات خصائص مصممة خصيصاً.

وتتواصل الأبحاث حول الآليات الدقيقة التي تتشكل من خلالها هذه الهياكل، مع التركيز بشكل خاص على الألومينا الأنودية. وهي تنطوي على تفاعلات كيميائية وكهروكيميائية على حد سواء، وتشمل الأولى الحقن المباشر لأيونات الألومنيوم مباشرة في محلول إلكتروليت، بينما يحدث نظيره الكهربائي داخل الشقوق داخل طبقة الأكسيد؛ ويُعد تركيب محلول الإلكتروليت وإمكانات الأنودة المطبقة من العوامل الرئيسية عندما يتعلق الأمر بحجم الشقوق.

وبمجرد أن تتشكل الشقوق، يمكن أن تتفاعل أيونات الألومنيوم المقذوفة في الإلكتروليت مع بعضها البعض لإنشاء هياكل مسامية ذاتية التنظيم تعتمد على إمكانات الأنودة ونوع الإلكتروليت؛ ويعتمد حجمها وشكلها على عوامل مثل إمكانات الأنودة وكذلك وجود/عدم وجود طبقات حاجزة.

كما هو موضح أدناه، عندما تمر شحنات كهربائية عالية عبر ركيزة مشفّرة، تتسع مسامها بينما تقل المسافة بين مسامها البينية، مما يؤدي إلى مصفوفات سداسية من المسام كما هو موضح هنا؛ على الرغم من أن المصفوفات المماثلة يمكن أن يكون لها أشكال أخرى مثل الهياكل المستطيلة أو المربعة.

تعتمد مورفولوجية صفائف المسام على ترتيبها الأولي كحفر مقعرة منقوشة مسبقًا على سطح ألومينا أنوديك والمسافات بين المسام. وفي حال استخدام أنماط شبكية من الجرافيت بمسافات 300 نانومتر بين المسام البينية، فإن جدران الأكسيد تتشكل بأشكال مثلثة بينما تنتج أنماط شبكية على شكل قرص العسل بمسافات 500 نانومتر بين المسام مساماً على شكل ماسي؛ ويؤثر هذا الشكل في نهاية المطاف على خصائص انتقال الضوء وتشتت الضوء لأسطح الألومينا الأنوديك.

التطبيقات

منذ عمل ماسودا وموسكوفيتس، أصبحت الألومينا الأنودية المسامية (AAO) منصة تصنيع نانوية جذابة للأبحاث في العديد من المجالات. وقد استُخدمت قوالب AAO النانوية في إنتاج مواد ذات خصائص محددة في المغناطيسية والكهربائية الحرارية والحرارية بأبعاد مخفضة؛ ويمكن تعديل AAO بسهولة لإنتاج أشكال مختلفة مثل الهياكل المتفرعة أو الهياكل النانوية المعدلة أو ثلاثية الأبعاد.

يتم تحديد الخصائص المورفولوجية للألومنيوم الأكسيد الأكسيد الأحادي الطبقة الحاجزة والإمكانات الأنودية. وتؤثر الطبقة الحاجزة على سرعة انبعاث أيونات الألومنيوم في المحلول بينما تؤثر الإمكانات الأنودية على سرعة نمو المسام - ويعتمد حجمها على الإمكانات الأنودية المطبقة ودرجة الحرارة وتركيبة الإلكتروليت وظروف التجربة.

بشكل عام، كلما كانت أقطار المسام والمسافات بين المسام أكبر وأقرب من بعضها البعض، كلما كان أكسيد الأنوديك أسرع في التكون. ومع ذلك، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أيضًا أن حجمها يمكن أن يعتمد أيضًا على عوامل مثل كيمياء السطح التي يمكن التحكم فيها من خلال الحفر الكيميائي أو استخدام السلائف الأنودية.

وعلاوة على ذلك، ينبغي التأكيد على أن ترتيب المسام لا يتحدد فقط من خلال شكل الحفرة البادئة بل يتأثر أيضًا بترتيبات الحفرة المقعرة الأولية المنقوشة مسبقًا على الركيزة. على سبيل المثال، عند استخدام أنماط FIB من الحفر المقعرة بمسافة 300 نانومتر بين المسام على ركيزة من الألومنيوم، تظهر جدران أكسيد مثلثة ومستطيلة بعد عملية الأنودة (الأشكال 14 أ-14 ج).

عند واجهة الأكسيد/الإلكتروليت، تلعب أنواع الأكسالات دورًا أساسيًا في تكوين الأكسيد الأكسيد الأكسجيني. وعندما تتفاعل أيونات الأكسالات هذه مع أيونات Al3+ التي يتم طردها من المسام أثناء ظروف MA، تتفاعل معها أيونات الأكسالات هذه لتكوين جزيئات الماء التي تقلل من مقاومة الطبقات الحاجزة وتسهل نمو المزيد من هياكل مصفوفة المسام. وعلى النقيض من ذلك، في ظل ظروف HA، ينتج تكوين ألومينا غير مسامية مع مقاومة أعلى في الطبقة الحاجزة بسبب الإجهاد الناجم عن التمدد الحجمي في الواجهة البينية للمعدن/الأكسيد.

التحضير

يتطلب إنتاج الألومينا المسامية أنودة الألومنيوم في شوارد حمضية. وتنطوي هذه العملية على انتقال أيونات الأكسجين من المحلول إلى الأسطح المعدنية وإنشاء طبقة حاجز أكسيد عازل بسبب المقاومة الكهربائية العالية؛ حيث لا يمكن أن يمر من خلالها سوى تيار صغير، وفي الوقت نفسه تعمل كعازل وتوقف المزيد من التبخر السطحي.

تلعب كل من درجة الحرارة وتركيبة الإلكتروليت والإمكانات المطبقة أثناء عملية الأنودة دوراً أساسياً في إنتاج أحجام مختلفة من المسام؛ حيث إن بارامتراتها الهيكلية هي القطر والمسافة بين المسام. ولإنشاء بنية أكثر اتساقاً للمسامات قد توفر عملية الأنودة النبضية.

وبموجب هذه التقنية، يتم إيقاف عملية الأنودة بعد وقت معين وإعادة تشغيلها عند إمكانات أعلى، وبالتالي زيادة وقت الأنودة وإنتاج أغشية ألومينا أكثر سمكًا وأكثر مسامية.

يمكن أيضًا استخدام أنودة النبض لإنتاج مسام متفرعة أو معدلة عن طريق تغيير ظروف الأنودة بين MA وHA في تسلسلات محددة وتغيير مدة النبضة، مما ينتج مسامًا بأقطار متعددة ودرجات عالية من الترتيب.

يتيح تعديل الأس الهيدروجيني لمحاليل الأنودة للمستخدمين تغيير توزيع حجم المسام. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق زيادة أو تقليل تركيز أنواع الأكسالات في محلول الأكسالات؛ وعلى العكس من ذلك، بالنسبة للمسام الأصغر يجب أن يكون هناك عدد أقل من الأنواع في محلول الأكسالات.

في خطوة أخرى لتغيير هياكل المسام هي عملية الحفر الانتقائي. يمكن إجراء ذلك بعد عملية الأنودة في محلول يحتوي على حمض الفوسفوريك وينتج عنه غشاء ألومينا مسامي ثلاثي الأبعاد مع مسام مرتبة بشكل جيد حتى لو تم استخدام ظروف MA أثناء عملية الأنودة؛ مما يجعل هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تستخدم مصابيح الشوارع التي تعمل ببخار الصوديوم كحاويات غاز.

الخصائص

استحوذت الألومينا الأنوديك المسامية على الكثير من الاهتمام البحثي على مدى العقود الأخيرة بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية والبصرية الرائعة. ومن المثير للإعجاب على وجه الخصوص الهياكل التي تضم ميزات بمقياس النانومتر من هذه المادة الأنودية لتصميم الأجهزة البصرية مثل البلورات الضوئية أو الليزر.

يتم تحديد تشكيل الأشكال المعقدة من خلال التفاعلات الكهروكيميائية التي تحدث في كل من الواجهة البينية للمعدن/الكهارل والواجهات البينية للأكسيد/الكهارل، حيث يتسبب المجال الكهربائي المتولد عبر طبقة الحاجز في انحلال الأكسيد وإطلاق أيونات Al3+ وتمدد الحجم في الواجهة البينية للمعدن/الأكسيد وتوليد الإجهاد بسبب تمدد الحجم في هذه الواجهة البينية والإجهاد الحجمي في الواجهة البينية للمعدن/الأكسيد اعتمادًا على إمكانات الأنودة ودرجة الحرارة والتركيب الحمضي والظروف التجريبية.

تُعد الأنودة النبضية واحدة من أكثر التقنيات كفاءة لإنشاء أشكال مسام عالية التحكم في شكل المسامات، مما يتيح للمؤكسدات ضبط قطر المسام والمسافة بين المسام عن طريق تغيير إعدادات الجهد؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكن تعديل المعلمات الهيكلية للأغشية المتكونة عن طريق تغيير إعدادات الجهد والوقت لكل مؤكسد، مما يؤدي إلى أنماط موري أو هياكل متدرجة إذا رغبت في ذلك.

تقدم الألومينا الأنوديك ميزة أخرى لتطوير المواد الوظيفية: قدرتها على التحكم في كيمياء السطح. فعن طريق الحفر الكيميائي أو الترسيب الكهروكيميائي، يمكن أن تخلق طبقات واقية على سطحها؛ وبالإضافة إلى ذلك، قد تؤدي المعالجة الحرارية أو الخدش النانوي إلى تغيير شكلها أو خلق طبقات واقية عليها.

توفر أنوديك ألومينا منصة جذابة لإنشاء مواد ذات أبعاد منخفضة في مجال المغناطيسية والكهرباء الحرارية وغيرها من المجالات، مثل التقنيات البصرية. وعلاوة على ذلك، فإن تعدد استخداماتها يجعلها قالباً مفيداً لنمو المواد ذات الخصائص المدمجة في التقنيات البصرية المختلفة. ونحن في InRedox ننتج ونوفر قوالب أكسيد الألومنيوم الأنوديك النانوية بأشكال ومواصفات مختلفة للباحثين الذين يستكشفون فرص العلوم والتكنولوجيا القائمة على هذه المادة؛ ويمكن استخدام هذه القوالب لدراسة تطبيقات مختلفة بما في ذلك أدلة الضوء والبلورات الضوئية.