يعد تركيب المواد المتقدمة عالية النقاء وصناعتها أمراً ضرورياً للنمو الصناعي والتنمية حيث يمكن استخدام هذه المواد في الخلايا الكهروضوئية والأجهزة النانوية الكهروضوئية وأجهزة تخزين الطاقة ومحفزات صناعة الوقود الأخضر وكل هذه الصناعات لها تأثير قوي على النمو الاجتماعي والاقتصادي للبلاد ويواكب ما أكدته رؤية 2030.
ويعد المشروع البحثي، الذي قام به البروفيسور بقسم الفيزياء د. محمد قوندال وفريقه البحثي، من الأبحاث المتميزة التي تعمل على تصنيع المواد النانوية بطريقة مبتكرة تركز على عملية الاقتطاع باستخدام نوع خاص من الليزر يسمى "الليزر النابض (pulsed laser ablation) ".
وعملية الاقتطاع بالليزر النابض (PLA) تعد تقنية قوية للعديد من التطبيقات تشمل التصنيع المصغر، والتحليل الكيميائي المباشر للعينات، وتصنيع مواد النانو (بشكل طبقات رقيقة أو جسيمات نانوية).
ويعد تشكيل المواد المركبة النانوية أحد أهم جوانب هذه التقنية هذه الأيام.
وتتصف المواد النانوية بخصائص فيزيائية تختلف اختلافاً كبيراً عن الجسيمات بسبب عدد الذرات السطحية .
ويمكن تصنيف المواد النانوية، وفقًا لأبعادها، إلى بعد واحد (غشاء رقيق)، أو بعدين (أسلاك نانو، قضبان نانو، أنابيب نانوية) أو ثلاثة أبعاد (جسيمات نانوية).
وهناك طريقتان جديدتان لإعداد المواد النانوية على أساس تقنية الاقتطاع بالليزر النابض. إحداهما هي الترسيب بالليزر النابض (Pulsed Laser Deposition) ، وذلك لصناعة الطبقات الرقيقة إما في الفراغ أو في وجود الغاز.
والطريقة الثانية هي تقنية الاقتطاع بالليزر النابض لإعداد الجسيمات النانوية (PLA) في السوائل. في تقنية الترسيب بالاقتطاع بالليزر النابض، يتم تركيز شعاع ليزر نابض عالي الطاقة على هدف داخل حجرة مفرغة .
والهدف الرئيسي لهذا المشروع البحثي هو استخدام أساليب مبتكرة، كتقنية الاقتطاع بالليزر النابض في السوائل (PLAL)، لتصنيع مواد نانوية ذات درجة نقاء عالية و تمتلك خصائص فريدة من نوعها لمختلف التقنيات المتطورة بما في ذلك تجميع الطاقة ومعالجة مياه الصرف وتخزين الطاقة وتطوير الخلايا الشمسية من الجيل الثالث .
كما يتم استخدام هذا المشروع كمنصة لتحقيق نتائج علمية ممتازة مثل استخدامه في تدريب (إطروحات) طلاب الدكتوراه والماجستير وتكوين براءات اختراع لتقنيات جديدة وكذلك في المنشورات عالية التأثير.
ما يتميز به المشروع البحثي هو استخدامه لتقنية الاقتطاع بالليزر النابض في السوائل (PLAL) ، و هي تقنية جديدة جدا لتصنيع مواد وظيفية متقدمة عالية النقاء مثل المركبات النقية والنانوية، والأصباغ النانوية، والأسلاك النانوية، والمكعبات النانوية، والجسيمات الكمية للعديد من التطبيقات المستخدمة في الطاقة المتجددة وإدارة الموارد المستدامة (المياه النظيفة والطاقة النظيفة وتخزين الطاقة والخلايا الشمسية) . لا يمكن تصنيع هذه المواد الجديدة ذات الدرجة عالية من النقاء باستخدام التقنيات الكيميائية التقليدية بسبب إمكاناتها المحدودة كما أن هذه التقنيات تتطلب مواد وعمليات كيميائية تسبق عملية التصنيع ناهيك عن الملوثات الناتجة عن طريق المعالجة الكيميائية.
هناك عدة إيجابيات لاستخدام الطريقة المبتكرة في هذا البحث منها التطبيقات الحديثة للاقتطاع بالليزر كتصنيع المواد النانوية مثل الجسيمات النانوية والأسلاك النانوية والأنابيب النانوية بواسطة تقنية الاقتطاع بالليزر النابض في السوائل. في هذه الطريقة يتم غمر الهدف الصلب في سائل وتركيز شعاع الليزر من خلال السائل على سطح الهدف.
بالإضافة إلى تطبيقات الاقتطاع بالليزر،هناك ميزات فريدة للطريقة المبتكرة في البحث و هي:
• لا يحتاج نظام الإنتاج إلى غرف مكلفة أو مضخات تفريغ قوية.
• يمكن إنتاج جسيمات نانو نقية بدون تكون منتجات ثانوية.
• يمكن إضافة المواد الكيميائية مثل المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى السوائل للتحكم في حجم الجسيمات النانوية عن طريق تغيير الشحنة السطحية للنواة .
• يمكن جمع المنتج بأكمله في المحلول ، والمحلول الناتج من العملية، والذي يسمى المحلول الغرواني (colloid solution) ، يمتاز بسهولة التحكم.
• يمكن تحضير جسيمات نانوية جيدة التبلور بسهولة في إجراء من خطوة واحدة دون معالجة حرارية لاحقة.
لمعرفة كيفية عمل الطريقة المبتكرة في هذا البحث، يعرض الشكل (1) منظراً تصويرياً لإعداد الليزر المستخدم في تصنيع الجسيمات النانوية باستخدام تقنية الاقتطاع بالليزر النابض في السوائل . سيتم استخدام ليزر من نوع
Q-switched Nd-YAG laser (Spectra physics Model GCR 100)، والذي يعمل على طول موجة (355) نانومتر باستخدام المولد التوافقي الثالث كمصدر إثارة.
في الشكل (2)، مثال نموذجي مركبات نانوية باستخدام تقنية الاقتطاع بالليزر النابض في السوائل الجديدة.
ويمكن العثور على الوصف التفصيلي لهذا البحث في منشورات الباحث الدكتور جوندال في صفحته على الويب
http://faculty.kfupm.edu.sa/Phys/magondal/ .
يعد البرفيسور المتميز محمد قوندال مشرف مجموعة بحوث الليزر بجامعة الملك فهد ومتخصص في أبحاث الفيزياء التطبيقية: (الليزر وتطبيقاته ، تقنية النانو ، الفيزياء الحيوية ، الطاقة الشمسية / المتجددة ، حماية ومراقبة البيئة ، المستشعرات ، تخفيض ثاني أكسيد الكربون ، إنتاج الهيدروجين ، علوم الكيمياء ، معالجة مياه الصرف الصحي ، التحفيز الضوئي والتحليل الطيفي).
وقد حاز البروفيسور قوندال على جائزة "التميز البحثي" وجائزة "الأستاذ الجامعي المتميز" من الجامعة عدة مرات ، كما حاز على عدة جوائز وطنية و دولية نظير أعماله البحثية ، و يمتلك تسع براءات إختراع منشورة من قبل مكتب براءات الإختراع الأمريكي .