أكسيد الفاناديوم الرباعي VO2

في الكيمياء إن مركب أكسيد الفاناديوم الرباعي أو ثاني أكسيد الفاناديوم أو أكسيد الفاناديوم (IV) وفي الإنجليزية: (vanadium dioxide) أو (Vanadium tetraoxide) أو (Vanadium(IV) oxide) عبارة عن مركب كيميائي غير عضوي يمتلك الصيغة الكيميائية التالية: (VO2)، يتواجد على شكل مسحوق لونه أسود، كما أنه يمتلك نقطة انصهار مقدارها 1967 درجة مئوية، وكثافة 4.339 جم لكل مل عند 25 درجة مئوية، وثقل نوعي مقداره 4.339، وهو غير قابل للذوبان في الماء.

أكاسيد الفاناديوم

أكسيد الفاناديوم الرباعي (VO2) هو عبارة عن أكسيد متذبذب يذوب في الحمض ليعطي أيون الفاناديل الأزرق (2+[VO])، وفي القاعدة لإنتاج أيون (hypovanadate) أصفر-بني (2−[V4O9])، وثاني أكسيد الفاناديوم عبارة عن واحد من أربعة أكاسيد شائعة نسبيًا للفاناديوم وهي كالتالي: أول أكسيد الفاناديوم [أكسيد الفاناديوم (II)، VO]، ثالث أكسيد الفاناديوم [أكسيد الفاناديوم (III)، V2O3]، وخامس أكسيد الفاناديوم [أكسيد الفاناديوم (V)، V2O5].

بالإضافة إلى ذلك، فإنه توجد العديد من أكاسيد الفاناديوم المختلطة والعديد منها في الطبيعة، ومن الأمثلة على ذلك كلا من التالية: (V3O7 (VO2 + V2O5)) و (V4O7 (2VO2 + V2O3))، حيث تختلف المجموعة الواسعة من أكاسيد الفاناديوم بشكل كبير من حيث اللون والبنية البلورية والخصائص الكيميائية.

أكسيد الفاناديوم الرباعي

• أكسيد الفاناديوم (IV) (ثاني أكسيد الفاناديوم، يمتلك الصيغة الكيميائية التالية: VO2) هو عبارة عن مركب كيميائي غير عضوي، يكون على صورة مادة صلبة زرقاء اللون أو مسحوق أزرق أسود غير قابل للذوبان في الماء، ولكنه قابل للذوبان في القلويات والأحماض، يمتلك هيكل روتيل مشوه (TiO2)، وهو عبارة عن مادة سامة ومزعجة.

• ومن الممكن تحضيره من خلال تفاعل (V2O5) عند نقطة الانصهار مع الكبريت أو مخفضات الكربون مثل السكر أو حمض الأكساليك، ويتأكسد ثنائي أكسيد ببطء في الهواء، يذوب ثاني أكسيد الفاناديوم في الأحماض ليعطي الأيونات المستقرة (2+(VO)) وفي القلويات الساخنة لإنتاج أنواع الفانادات (IV) على سبيل المثال: (HV2O5).

• ويتم التعبير عن (VO2) نفسه أحيانًا على أنه (V2O4 أو V4O8) أو صيغ (VnO2n) أخرى وذلك اعتمادًا على تناسقه البلوري، عند درجات حرارة أقل من 67 درجة مئوية، يحتوي (VO2) على بنية بلورية أحادية الميل، وعند تسخينه لأكثر من 67 درجة مئوية فإنه ينتقل إلى هيكل رباعي الزوايا، عند نفس درجة الحرارة يتحول (VO2) البلوري من عازل كهربائي إلى موصل.

اكتشاف أكاسيد الفاناديوم

• في عام 2013 ميلادي، قام فريق بقيادة ماساكي ناكانو في مركز (RIKEN) لعلوم المواد الناشئة (واكو) وجامعة توهوكو (كلاهما في اليابان) ببناء ظاهرة الموصل العازل للتأثير على انتقال الضوء من خلال زجاج (VO2)، وسبق أن ثبت أن زجاج (VO2) منخفض الحرارة (<30 درجة مئوية) يكون شفافًا لإشعاع الأشعة تحت الحمراء (IR)، ولكن عند> 60 درجة مئوية، فإنه يعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء.

•  ناكانو وآخرون حققوا نفس النتيجة من خلال تطبيق جهد خارجي على طبقة رقيقة من (VO2)، وهذا الاكتشاف هو أساس الترانزستورات ذات التأثير الميداني الجديد، وأكثر من ذلك: في عام 2017 ميلادي، أوليفييه ديلير في مختبر أوك ريدج الوطني (TN) وجامعة ديوك (دورهام، نورث كارولاينا)، (Junqiao Wu) في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، ومختبر لورانس بيركلي الوطني.

• أظهر وزملاؤه في جميع أنحاء العالم أن (VO2) ينتهك قانون فيدمان فرانز (Wiedemann-Franz) الموقر (1853)، والذي ينص على أن نسبة المكون الإلكتروني للتوصيل الحراري للمعدن إلى التوصيل الكهربائي له تتناسب مع درجة حرارة المعدن، عند درجة حرارة انتقال الموصل والعازل وتحته، تكون الموصلية الحرارية الإلكترونية منخفضة بشكل غير طبيعي، وهو ما يقول المؤلفون “دليل على عدم وجود أشباه جسيمات في مائع إلكتروني شديد الارتباط حيث تنتشر الحرارة والشحنة بشكل مستقل.”

أهمية أكاسيد الفاناديوم

• يحظى ثاني أكسيد الفاناديوم (VO2) وهو عبارة عن مادة حرارية رائعة باهتمام كبير في كل من التطبيقات العلمية والتكنولوجية، إذ أنه يُظهر ثاني أكسيد الفاناديوم انتقالًا عكسيًا من أشباه الموصلات الصلبة إلى المعدن (SMT) عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (Ttrans ≈ 68 درجة مئوية)، كما يمكن تعديل (Ttrans) عن طريق تفاعله مع المعدن (على سبيل المثال، Al ،Cr  ،W، و Ti)، والذي يحل محل ذرات الفاناديوم في التركيب البلوري، أو عن طريق تفاعله بالغازات (على سبيل المثال: غاز الفلور F) التي تحل محل ذرات الأكسجين.

• يمكن بدء (SMT) بواسطة عدد من المحفزات الخارجية، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط والمجالات الكهربائية أو المغناطيسية والإثارة الضوئية وحقن الناقل، يصاحب (SMT) لـ (VO2) حدوث تغيير قوي في كل من الخواص الكهربائية والبصرية للمادة، بالإضافة إلى ذلك يقوم (SMT) بتشغيل جداول زمنية فائقة السرعة: يقوم الفيلم بتبديل جداول زمنية تبلغ حوالي 500 fs.

• علاوة على ذلك فإن (VO2) مستقر ديناميكيًا ومقاومًا نسبيًا لإشعاع الأكسجين الذري، وكل هذه الخصائص تجعل أكسيد الفاناديوم (IV) مرشحًا مثاليًا للاستخدام في الطلاء عبر مجموعة متنوعة من التطبيقات، ومنها المفاتيح الضوئية والكهربائية ومفاتيح الموجات الصغرية (RF) وأنظمة (plasmonic و metamaterial) القابلة للضبط والنوافذ الذكية.

استخدامات أكسيد الفاناديوم الرباعي

• أكسيد الفاناديوم الرباعي هو نوع من المركبات غير العضوية بصيغته الكيميائية وهي (VO2)، يمكن أن يمر بمرحلة انتقالية عند درجة حرارة طبيعية (~ 66 درجة مئوية)، كما يمكن أن تتغير مقاومته الكهربائية وشفافيته عدة مرات، وهذه الخصائص الخاصة تجعله يحتوي على العديد من التطبيقات.

• على سبيل المثال فإنه من الممكن استخدامه في المستشعرات الكيميائية وفي الطلاء الموفر للطاقة والموصلات الشفافة، ومواد التحويل، كما ويمكن استخدامه أيضًا كمصراع بصري ثابت ومعدلات بصرية وكاميرات وتخزين بيانات، علاوة على ذلك فإنه يمكن تطبيقه على نظام توجيه الصواريخ نظرًا لقدرته على تعديل الأشعة تحت الحمراء.

• يمكن استخدام أكسيد الفاناديوم الرباعي أيضًا في صنع أغشية رقيقة تم استخدامها في المفاتيح الكهروضوئية، والمفاتيح الضوئية الدقيقة وفي المشعات الذكية السلبية وفي دروع الشمس للمركبات الفضائية، كما ويمكن استخدامه أيضًا في الحوسبة والذاكرة لتغيير الطور.

• يتم استخدام أكسيد الفاناديوم (IV) في المستشعرات الكيميائية أيضا، كما أنه بمثابة مصراع بصري ثابت ومعدلات بصرية وكاميرات وتخزين البيانات، وكمُعدِلات للأشعة تحت الحمراء، ويتم استخدامه لأنظمة توجيه الصواريخ، الأفلام الرقيقة المكونة من ثاني أكسيد الفاناديوم تجد تطبيقات في المفاتيح الكهروضوئية، والمفاتيح الضوئية الدقيقة وغيرها.

وفي نهاية ذلك نستنج أن أكسيد الفاناديوم (IV) عبارة عن مركب غير عضوي يمتلك الصيغة الكيميائية: (VO2)، ويدخل في كثير من التطبيقات والاستخدامات منها: في المستشعرات الكيميائية وفي الطلاء الموفر للطاقة وفي الموصلات الشفافة وفي مواد التحويل وغيرها.