في إطار برنامج منح «خطوة نحو المستقبل» الذي يحمل اسم ف. ب. خريستينكو، تعمل طالبة الدراسات العليا ناتاليا جيفولينا على إنتاج مساحيق الفريت أحادية البلورة ذات تشتت دقيق. وقد يُسهم هذا التطوير في استخدام مساحيق الفريت كمادة كاثودية في مصادر طاقة أيونات الزنك الواعدة.
تُجرى القياسات والاختبارات الكهروكيميائية للمواد الناتجة في مختبر الشباب للأنظمة الكهروميكانيكية والإلكترونية والكيميائية الكهربائية، الذي أُنشئ في جامعة جنوب الأورال الحكومية بدعم من حاكم منطقة تشيليابينسك، أليكسي تيكسلر. ويشرف على تطوير مساحيق الفريت أحادية البلورة ذات التشتت الدقيق، الدكتور فلاديمير جيفولين، رئيس مختبر الأنظمة الكهروميكانيكية والإلكترونية والكيميائية الكهربائية، وباحث أول في مختبر نمو البلورات، وأستاذ مشارك في قسم «علوم المواد والكيمياء الفيزيائية للمواد»، ورئيس مختبر نمو البلورات، المشرف على أبحاث ناتاليا أنتونوفنا.
يركز مشروع ناتاليا جيفولينا على الفريتات السداسية من النوع M، وتحديدًا مركب BaFe₁₂O₁₉. تعتمد عملية التخليق على التبلور التلقائي من المحلول، باستخدام أكسيد الحديد (Fe₂O₃) وكربونات الباريوم (BaCO₃) كمكونات أولية، وكربونات الصوديوم (Na₂CO₃) أو بورات الباريوم (BaB₂O₄) كمذيبات. من خلال تغيير تركيز ونوع المذيب، بالإضافة إلى معدل تبريد المصهور، يُمكن الحصول على العديد من الجسيمات الفردية، كل منها عبارة عن بلورة واحدة. بعد إزالة المذيب، تُشكّل هذه المادة مسحوقًا - وهو نفس مسحوق الفريت أحادي البلورة المُشتت بدقة.
يُعزى اختيار البنية البلورية، بدلاً من البنية غير المتبلورة، إلى انتظام المادة، مما يُسهّل دمج أيونات الزنك في بنية الكاثود. علاوة على ذلك، توفر الجسيمات الفردية مساحة سطحية نوعية أكبر للمادة الفعالة.
«تؤكد ناتاليا جيفولينا قائلةً: تكمن القيمة الرئيسية لهذا البحث في تطوير تقنية إنتاج هذه الجسيمات. وفي المستقبل، يُمكن استخدام الحشوات أحادية البلورة في المواد المركبة، حيث يُمكن التحكم في اتجاهها لتعديل خصائص المنتج النهائي».
حتى الآن، نجح العلماء في الحصول على جزيئات يتراوح قطرها بين 5 و250 ميكرومترًا، وهي نتيجة جيدة لهذه الطريقة: فباستخدام حجم محلول يبلغ حوالي 20 مل، يصل مردود المادة إلى 10 غرامات. وهذا أكثر كفاءة بشكل ملحوظ من طريقة سول-جل، على سبيل المثال.
وقد ثبت أن تغيير تركيز المذيب يؤثر بشكل مباشر على حجم وشكل البلورات. كما لوحظ اعتماد على اللزوجة: فاستخدام مذيب أكثر لزوجة يؤدي إلى تكوين جزيئات أكثر شبهاً بالصفائح، بينما في وسط أقل لزوجة، تكتسب البلورات شكلاً شجريًا. ويُعدّ التحكم في هذه المعايير هو الجانب العلمي الجديد للمشروع.
ينصبّ التركيز الرئيسي لهذا العمل على تطوير طريقة جديدة لإنتاج المسحوق. ولا تزال فكرة استخدام BaFe₁₂O₁₉ كحشو لمعجون الكاثود تُعتبر محفوفة بالمخاطر. على الرغم من أن الاختبارات الأولية في خلية مختبرية قد أظهرت أن المادة تعمل، إلا أنه من السابق لأوانه الحديث عن مزاياها مقارنة بثاني أكسيد المنغنيز، والذي يعتبر حاليًا أكثر مواد الكاثود الواعدة لبطاريات أيونات الزنك ذات الإلكتروليت المائي.
تم اختيار BaFe₁₂O₁₉ كمادة اختبارية لكونها الأكثر دراسة، مما يسمح بمقارنة النتائج مع بيانات علماء آخرين. مع ذلك، فإن هذه الطريقة قابلة للتطبيق أيضًا على SrFe₁₂O₁₉ وأنواع أخرى من الفريتات. لا يزال التطوير في المرحلة المختبرية، ومن السابق لأوانه مناقشة القيم الدقيقة للسعة النوعية، أو استقرار دورة الشحن والتفريغ، أو تكلفة البطارية.
يتمثل الناتج الرئيسي للمرحلة الحالية من البحث – في تطوير طريقة قابلة للتكرار لإنتاج مساحيق أحادية البلورة نقية، والتي قد تُشكل أساسًا لابتكار مواد بديلة للواردات في مجالات تخزين الطاقة، والمواد المركبة، وغيرها من المجالات التقنية المتقدمة.
يُنفذ هذا المشروع في إطار برنامج منح «خطوة نحو المستقبل» الذي يحمل اسم ف. ب. خريستينكو. يوفر هذا البرنامج دعمًا ماليًا سنويًا لبرنامج التطوير الجامعي ضمن إطار «الأولوية - 2030». تُقدَّم المنح للبحوث المتقدمة، وتنمية الكفاءات، وتنفيذ برامج تعليمية فريدة (مكونات) تُحدِّد مسار التنمية في جامعة جنوب الأورال الحكومية ومنطقة تشيليابينسك.