طريقة جديدة غير مكلفة لكسر رابطة جزيء الماء وفصل الأكسجين عن الهيدروجين

طور باحثون في جامعة ستانفورد جهاز غير مكلف والذي يستخدم الضوء لفصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين نظيف قابل  للاحتراق. الهدف منه استخدامة كإضافة للخلايا الشمسية مع خلايا الوقود التي تعمل بالهيدروجين والتي يمكن أن تولد الكهرباء عندما تكون الشمس ليست مشرقة أو عند الحاجة اليها. 

هذه الصورة توضح قطبين متصلين بمصدر خارجي للفولتية والتي تفصل الماء الى الاكسيجين والهيدروجين. الكترود السليكون المضي (في اليسار) يستحدم الضوء  للمساعدة في عملية فصل الماء ولحمايتة من الوسط الاليكتروليتي يغطى بطبقة رقيقة من النيكل سمكها 2 نانو متر.   

استطاع العلماء في جامعة ستانفورد تطوير جهاز يعتمد على السليكون في فصل الماء والذي يتميز بتكلفتة المنخفضة ومقاومتة للتاكل ,الجهاز الجديد من السليكون شبة الموصل المغطى بطبقة من النيكل - يمكن أن تساعد في تمهيد الطريق لإنتاج وقود الهيدروجين على نطاق واسع من من أشعة الشمس، وفقا للعلماء. ونشرت نتائج العلماء في مجلة العلوم 15 نوفمبر تشرين الثاني                                                                                                                                           

الخلايا الشمسية تعمل فقط عندما تكون الشمس مشرقة!! وقال الباحث المشارك في الدراسة هونغ جيه داي أستاذ الكيمياء في جامعة ستانفورد. "عندما لا تتوفر اشعة الشمس يؤدي ذلك في الغالب إلى الاعتماد على الكهرباء من محطات الطاقة التقليدية التي تعمل على الفحم أو الغاز الطبيعي" 

وتأتي هذه الفكرة كأحد الحلول التي تراعي الحفاظ على بيئة نظيفة وأوضح داي، ان هذا الجهاز يأتي  كتكملة او اضافة للخلايا الشمسية وربطها بخلايا الوقود التي تعمل 

 بالهيدروجين والتي تولد الكهرباء ليلا أو عند الحاجة اليها.

لإنتاج خلايا وقود الهيدروجين النظيفة، قام العلماء بتطوير تكنولوجيا ناشئة تسمى فصل المياه. حيث يغمس قطبين شبه موصلين في الماء. تمتص هذه الأقطاب الضوء وتستخدم الطاقة لفصل الماء إلى مكوناتة الأساسية، الأكسجين والهيدروجين. حيث يتم تحرير الأوكسجين الى الغلاف الجوي، ويتم تخزين الهيدروجين والاحتفاظ بة كوقود عندما تكون هناك حاجة للطاقة، يتم عكس العملية. حيث يتحد الهيدروجين المخزن واكسجين الهواء الجوي في خلايا الوقود لانتاج الكهرباء والماء النقي.

 العملية برمتها دائمة ولا تبعث غازات الاحتباس الحراري. لكن العثور على وسيلة رخيصة لفصل المياه يشكل تحديا رئيسيا. اليوم، يستمر الباحثون في البحث عن مواد غير مكلفة التي يمكن استخدامها لبناء اجهزة لفصل الماء بشكل فعال واكثر  كفائة في الاستخدام العملي.

الحل في السيلكون

السيلكون، الذي يستخدم على نطاق واسع في الخلايا الشمسية، سيكون مثاليا، ومن المواد ذات التكلفة المنخفضة يقول مايكل كيني طالب الدراسات العليا بستانفورد واحد المشاركين في الدراسة. "لكن السيليكون يتكسر ويتحلل عند وضعة في المحلول الاليكتروليتي. وفي الواقع ان هذا القطب المغمور في الاليكتروليت والمصنوع من السيلكون يتآكل بمجرد بدء تفاعل فصل الماء".

 في عام 2011، تناول فريق بحث آخر بستانفورد هذا التحدي من خلال أقطاب السيلكون المطلية بطبقات  من ثاني أكسيد التيتانيوم والإيريديوم. وأدت هذه التجربة الى فصل الماء الى هيدروجين وأكسجين لمدة 8 ساعات من دون حدوث تأكل للأقطاب.                                                                                                 

قال داي ان تلك النتائج كانت ملهمه ولكن لفصل المياه عمليا هناك حاجة إلى استقرار طويل الامد للتفاعل. بالإضافة الى ان الايريديوم من المعادن الثمينة والمكلفة. بينما المطلوب هو حفازات من المعادن رخيصة الثمن والغير مكلفة.                              

ولإيجاد بديل منخفض التكلفة اقترح داي على كيني وزملاؤه محاولة طلاء أقطاب السيلكون بالنيكل العادي. (النيكل من المعادن المقاومة للتآكل) , وأضاف كيني الى ان النيكل يعتبر ايضا من الحفازات الفعالة لإنتاج الاكسيجين وهو من العناصر ذات الوفرة العالية في القشرة الارضية. مما يجعله بديل مناسب جدا لهذا النوع من التطبيقات.

رقائق النيكل

للتجربة استخدم فريق داي طبقة سميكة من النيكل سمكها 2 نانومتر على قطب السيلكون، ووضع مع القطب ألأخر في محلول من الماء  وبورات البوتاسيوم. وعندما يتم تسليط الضوء والكهرباء تبدأ الأقطاب بفصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين حيث استمرت العملية حوالي 24 ساعة مع عدم وجود اي علامة للتآكل                          ولتحسين ألأداء قام الباحثين بخلط الليثيوم في محلول الماء. واللافت ان اضافة الليثيوم عملت على زيادة استقرارية  ألأقطاب. وقال كيني  "ان عملية توليد الهيدروجين والأكسجين من الماء استمرت لمدة 80 ساعة - وأكثر من ثلاثة أيام - مع عدم وجود اي علامات تدل على تآكل سطح الاقطاب".                                                                                          

هذه النتائج تمثل تقدما كبيرا على الجهود التجريبية ألسابقة. وأضاف داي "أنتجنا في مختبراتنا واحدة من أطول الاقطاب المنتجة للفوتونات والقائمة على السيلكون". واضاف "إن النتائج تشير إلى أن طلاء السليكون بطبقات النيكل لا يحميها فقط من التآكل بل ايضا يعتبر حفاز اليكتروليتي لتسريع تفاعل فصل الماء.  

                       

ومن المثير للاهتمام ان اضافة اللثيوم للالكتروليت يستخدم لتحسين بطاريات النيكل الجيدة منذ ايام توماس اديسون, وبعد سنوات عديدة سررنا عندما وجدنا انه ايضا يساعد في تحسين  صنع اجهزة فصل الماء بشكل جيد. ويخطط العلماء للقيام بأعمال إضافية للعمل على تحسين استقرارية ومتانة قطب السليكون  المعالج بالنيكل وكذلك غيرها من المواد.                                            

                                             

المصدر : 

http://news.stanford.edu/pr/2013/pr-nickel-water-splitter-111213.html

أكمل القراءه

كيف يمكن للفيزياء الجسيمية ان تنقذ حياتك؟

كما تستخدم الفيزياء الجسيمية في فهم الكون هي ايضا تستخدم في تطوير وتحسين الصحة والطب. المعجلات (المسرعات) والكواشف تلعب دورا هاما في تشخيص الامراض وتقليص الاورام وتعقيم المعدات الطبية. الاحصاء على نطاق واسع يجعل من الممكن تحديد او تقدير الادوية المحتملة للعمل قبل بدء التجارب على الانسان.

تعقيم الادوات والمستلزمات

تكنولوجياء القيزياء الجسيمية من الممكن استخدامها لتعقيم الحقن والضمادات والمشارط وسماعات الاطباء وغيرها من الادوات دون تعرضها للتلف. المعدات الطبية ترسل سلسلة من المعجلات اوالمسرعات الجسيمية الصغيرة والتي تقذف عن طريق حزمة من الالكترونات او الاشعة السينية X-Ray في بضع ثواني هذة الاشعه beams تقضي على اي ميكروبات على اي سطح.

المرجع:

http://www.symmetrymagazine.org/article/november-2013/how-particle-physics-can-save-your-life

أكمل القراءه

الإلكترون لا يدور

حول تصحيح الفهم الخاطئ  للذرة لدى طلاب العلوم بناء على ميكانيكا الكم غير النسبية

1-  العلوم الطبيعية كلها ليست هي الطبيعة بل نموذجاً عن هذه الطبيعة، والفيزياء هي نموذجاً رياضياً للطبيعة لن يرقى إلى مستوى الطبيعة ابداً مهما تقدم وتطور، ولكن له دور محوري في فهمنا لهذه الطبيعة وتسخيرها من أجل مصلحة الأنسان.

2-  ألنموذج الذري لتركيب الماده هو أهم النماذج العلمية عن الطبيعة، وهو نظرية رياضية ناجحة جداً في تفسير الطبيعة وظواهرها الفيزيائية في العالم الصغير وبالتالي قد يسأل أحد هل الذرات موجودة فعلا في الطبيعة والإجابة هنا ليست مطلقة بنعم لأن الذره هي مفهوم نظري رياضي عن تركيب المادة وليست الماده نفسها، وهذا النموذج يخضع للمراجعة والتطوير الدائمين بشكل يعكس التقدم العلمي للبشرية، وعليه فإن الاجابة على السؤال هي:

بحسب قدرتنا العلمية والمعرفية الحالية كبشر نعتقد بأن المادة تتكون من ذرات.

3-  يُعتقد خطأً بأن الذرة هي جسم كروي أو شبه كروي يحتوي على نواة مركزية (كروية)  صغيرة الحجم وكبيرة الكتلة، "تدور" حولها إلكترونات، في حين أن الذرة هي أسم يصف جسيم أو موجة ميكانيكية كمية (quantum mechanical) لها صفات ميكانيكية كمية تختلف جذرياً عن صفات الجسيمات أو الأجسام الميكانيكية التقليدية، فالجسيمات الميكانيكية الكمية كالكواركات (quarks) والإلكترونات والنيوترينوات (neutrinos) مثلاً تعيش في العالم الصغير إذ أن لها متوسط (وكلمة متوسط هنا في غاية الأهمية) سعة فراغية (size) أصغر من 10^-18m

4-  العالم الكبير هو كل شيء له سعة فراغية أكبر من البلورة الكيميائية (مجموعة من الجزيئات)، أي أنه كل شيء إبتدأ من الخلية الحيوانية أو النباتية ومروراً بالإنسان ككل ثم الكرة الأرضية ثم المجموعة الشمسية ثم المجرة ثم التجمعات المجرية وصولاً إلى الكون الواسع والذي نعرف أن نصف قطر الجزء المرئي منه هو   ، في حين أن العالم الصغير يبدأ بالبلورة الكيميائية فما هو اصغر منها، أي ابتداءً من البلورة مروراً بالجزيء فالذرة فالنواة فالبروتون والنيترون فالكوارك والألكترون وهكذا (يتضح لنا هنا أن السعة الفراغية التي يستطيع البشر مشاهدتها عملياً تمتد من  في العالم الصغير إلى  في العالم الكبير).

5-  العالم الكبير تحكمه الفيزياء التقليدية وعلى وجه التحديد الفيزياء النيوتونية (أشهرها قانون نيوتن الثاني) وهي فيزياء محددة (deterministic) أي أن الأحداث فيها لها إمكانيتين فقط وهي أن لا تحدث (الإمكانية صفر) أو تحدث (الإمكانية 1) أي أن الاحتمالات P هنا هي:

والأجسام في العالم الكبير لها صفات فيزيائية محددة، فلها مثلاً أشكال محددة بأبعاد محددة ولذلك يكون القياس في العالم الكبير له نتائج محددة والتنبؤات النظرية للأحداث هي تنبؤات مطلقة (ما عدا استثناءات قليلة مثل الفيزياء غير الخطية (non-linear physics) وميكانيكا الموائع (fluid dynamics) التي تصف ظواهر الطقس مثلاً)، أي أن الحسابات النظرية للفيزياء الكلاسيكية تسمح لنا بالتنبؤ بالأحداث بشكل محدد بدون أي درجة من درجات اللايقين النظري، وأخطاء القياس الناتج عن اللادقة في القياس (لأسباب إحصائية (statistical) أو لأسباب نظامية (systematical) تتعلق بمنظومة القياس المادية) لا تغير من الطبيعة المحددية للعالم الكبير بل تعكس القصور التكنولوجي لأدوات القياس وهذه الادوات تتطور باستمرار وتصبح أخطاء القياس أصغر يوماً بعد يوم ولكنها لا يمكن أن تصبح صفراً فلا يوجد جهازاً قادراً على القياس المطلق (لا يمكن أن يكون الخطأ صفري لأن البشر لا يمكنهم إنتاج أجهزة دقيقة بشكل مطلق ومستقلة عن التأثيرات المحيطة بها بحيث تصبح الأخطاء النظامية صفراً هذا من جهة، ومن جهة أخرى لا يكون الخطأ الأحصائي صفراً إلا عندما تكون العينة المقاسة مالانهاية وهذا غير ممكن عملياً).

6-  العالم الصغير تحكمه الفيزياء الكمية (فيزياء شرودنجر في الحالة غير النسبية)، وذلك لأن الصفة السائدة للعالم الصغير هي العشوائية واللاإنتظام وبالتالي اللايقين في البنية النظرية نفسها وليس بسبب أخطاء القياس التي تحدثنا عنها في (2) أعلاه، فعشوائية الحركة في العالم الصغير تعني أننا لا نستطيع مهما وصلت قدراتنا التكنولوجية على التنبؤ بالأحداث مثلما نستطيع في فيزياء العالم الكبير، فعلى عكس الحالة في العالم الكبير نجد أن ميكانيكا الكم هي فيزياء غير مُحَدِدَة ولا يوجد فيها الإمكانيتين (صفر) و(1)، بل توجد كل الاحتمالات لحدوث حدث ما ماعدا احتمال حدوثه أو عدم حدوثه أي أن:

7-   يخطئ الناس في الاعتقاد بأن الذرة جسيم يشابه الأجسام في العالم الكبير (كرة، بيضة، ...الخ) فالذرة حقيقة لا شكل منتظم لها وكذلك بقية الجسيمات في العالم الصغير ولكن لأن التوزيع الاحتمالي "متموضع - localized" فإنه يتركز في حيز معين (كما سنرى في الشكل في نهاية هذا المنشور) فيمكن على سبيل التقريب بالقول بأن للذرة أو للنواة متوسط نصف قطر أو لها شكل تقريبي، أي أنه ليس لدينا في ميكانيكا الكم قيم لخصائص الأجسام (نصف قطر، حجم، طول، عرض، كمية حركة،...الخ) ولكن لدينا قيم متوقعة وليس قيم مطلقة والقيمة المتوقعة (expectation value) هي المكافئ الميكانيكي الكمي للقيمة المتوسطة (average) في علم الإحصاء، أي أن لدينا متوسطات في فيزياء الكم وليس لدينا قيم مطلقة.

لتقريب حركة الإلكترون في الذرة للأذهان يمكن لنا على سبيل المجاز تشبيه الإلكترون بالـ"قُمّلي – الحشرة التي تعيش على فراء الخرفان" فنحن نعرف جميعاً أن أحداً لا يستطيع معرفة إلى أين سيقفز القُمّلي إذا ما وجدناه بالصدفة مع العلم أن حركة القُمّلي شبه عشوائية وليست عشوائية تماماً مثل حركة الإلكترون، كما أن الألكترون لا يقفز بل يختفي ويظهر في نفس اللحظة في مكان آخر لا يمكن تحديدة سلفاً.

يقع الكثير من المتعلمين في خطأ قاتل عندما يعتقدوا أن حركة الإلكترونات داخل الذرة تشبه حركة كواكب المجموعة الشمسية حول الشمس، فهذه الأخيرة هي حركة منتظمة ومُقدرة سلفاً، فالبشرية اليوم تعرف كل الأحداث التي ستحدث للشمس والقمر في علاقتهما بالأرض مثل أحداث الكسوف والخسوف فهذه محسوبة بدقة لمئات بل آلاف السنوات القادمة، في حين لا تستطيع البشرية بكل ما أوتيت من علم أن تعرف أين سيذهب الإلكترون إذا ما وجد بالصدفة في مكان ما.

إذاً: ألإلكترون لا يدور حول النواة بل يتحرك بصفة عشوائية في إطار توزيع احتمالي تحدده الدالة ، وإن سوء الفهم حول هذا الموضوع هو ترجمتنا للكلمة الأنجليزية "Orbit" بأنها "مدار" وبالتالي اعتقادنا أن الإلكترون يدور، والحقيقة أن كلمة "Orbit" استخدمت فيزيائياً ليس بمفردها بل مع كلمةEnergy  وبالتالي فالصيغة هي"Energy Orbit" وليس"Orbit" فقط، أي مدار طاقي وهذا معناه قيمة طاقية محددة، لأن الطاقة في ميكانيكا الكم "مكممة  - quantized" بمعنى أن الإلكترون مثله مثل أي جسيم في العالم الصغير تكون طاقته قيمة محددة وهي مضاعفات لقيمة كمية نسميها "كم - quanta" أي أن الطاقة تساوي:

يجب الملاحظة أن r لا تنتهي إلا عند مالانهاية.

إضافة تفصيلية لطلبة الفيرياء:

11-    أهم فروق بين ميكانيكا الكم والميكانيكا الكلاسيكية بالإضافة إلى ما ذكر سابقاً هي:

أ‌-        أن الميكانيكا الكلاسيكية تقوم على مفهوم المسار  x(path) في حين أن المقابل الميكانيكي الكمي للمسار هو دالة الحالة (أو الموجة) بساي Y، ففي الكلاسيكية ومن خلال مبدأ اقل حدث (least action) ومعادلات لاجرانج (Lagrange) نحصل على قوانين الحركة واهمها قانون نيوتن الثاني:

ت-    أن الجسيم اليكانيكي الكلاسيكي مثل كرة البلياردو مثلاً له شكل ومقاسات محددة، في حين أن الجسم الميكانيكي الكمي مثل إلكترون الذرة يمتد من الصفر إلى ما لانهاية، وصحيح انه متموضع (أي يتموضع أغلب وجوده أو حضوره المادي -أذا صح التعبير- في منطقة محصورة بين قيمتين) إلا أن له وجود في كل مكان بين الصفر والمالانهاية ولو كان هذا الوجودا نادراً أو نادراً جداً أو نادراً جداً جداً وهكذا ولكن له وجود، بمعنى أن لا حدود مطلقة له مثلما لكرة البلياردو.            والله الموفق

الدكتور / مصطفى بهران

أكمل القراءه

الأسمولارية Osmolarity

هناك العديد من الطرق التي تعبر عن التركيز مثل المولارية والمولالية والنسبة المئوية والحجمية وغيرها.

وتعرف الأسمولارية Osmolarity  بانها احد تلك الطرق للتعبير عن التركيز والتي يمكن تعريفها بانها عبارة عن عدد الأسمولات Osmols المذابة في لتر من المحلول Osmol/L.

ويعتبر الاسمولار عبارة عن التركيز بالمولار مضروبا في عدد الايونات الناتجة من المركب بفرض تأينه بالكامل.

مثال 

كلوريد الصوديوم يتأين الى ايون الصوديومNa⁺  وايون الكلور Cl^- ولذا فإن كل مول من كلوريد الصوديوم في المحلول عبارة عن 2 اسمولار من جزيئات المذاب.

NaCl 1 Mol/L = NaCl 2 Osm/L

اما المركبات الغير ايونية والتي لا تتفكك في المحلول فان 1 مول منها يساوي 1 اسمولار مثال ذلك سكر الجلوكوز فان 1 مولار منه يساوي 1 اسمولار.

1 Mol/L of Glucose = 1 Osm/L Of Glucose

فبلازما الدم (الدم بعد ابعاد خلاياه) هي 90% ماء مذابا فيه بروتينات وأملاح وسكريات ويوريا. والتركيز الاسمولاري للبلازما هو 0.308 , ولذلك يمكن حفظ خلايا الدم الحمراء في محلول جلوكوز 0.308 مولار (وهو يساوي 0.308 اسمولار نظراً لعدم تأينه) او في محلول كلوريد الصوديوم 0.154 مولار (أي 0.305 اسمولار) وفي هاتين الحالتين لا تفسد كريات الدم الحمراء بسبب الانكماش Shrinking او الانتفاخ Swelling حيث يكون المحلول المستخدم حينئذ له نفس الاسمولارية كبلازما الدم.

أكمل القراءه