ما هي البوريدات؟

مفهوم البوريدات

هي عبارة عن مركبات كيميائية، تحتوي على عنصر البورون مرتبطا بعنصر آخر أقل كهروسلبية، وغالباً ما تتم الإشارة بالبوريدات إلى مركبات البورون مع الفلزات، كما أن ما يميز البوريدات أنها غالبا وبشكل عام تعد من المواد السيراميكية، والتي تعرف بأن لها خصائص فيزيائية وميكانيكية مميزة.

بوريدات المعدن

تتميز بوريدات المعادن ذات الحالة الصلبة بأنها مميزة للغاية، حيث أنها عبارة عن مواد صلبة وغير متطايرة وتمتلك درجة ذوبان عالية، وتعد أيضا من المعادن الخاملة كيميائيًا، والتي تعتبر مهمة جدا في الصناعة، مع استخدامات كمواد مقاومة للحرارة وفي الأقماع الصاروخية وفي شفرات التوربينات وغيرها؛ أي أنها تستخدم في المواد والمكونات التي يجب أن تخضع وتتحمل الضغط الشديد والصدمات ودرجات الحرارة العالية، ومن الأمثلة على البوريدات الممتازة في مصادر انبعاث الإلكترون الحراري والبلورات المفردة، والتي تستخدم كمواد مهبطية في المجاهر الإلكترونية هي كل من: مركب LaB6 ومركب CeB6.

تتنوع طرق التحضير للبوريدات المعدنية؛ بسبب امتلاكنا تنوع هائل من الهياكل والأشكال، وقد يتم إجراء بعض هذه الطرق من التحضير عن طريق الجمع المباشر للعناصر في درجات حرارة عالية، والطريقة الأخرى من خلال أكاسيد المعادن، وسيتم توضيح الطريقتين عن طريق المعادلات التالية: الطريقة الأولى كما في المعادلة التالية وتتم العملية بوجود كربيد البورون والكربون بالإضافة إلى التسخين.

Eu2O3 → EuB6

الطريقة الثانية كما في المعادلة التالية وتتم العملية بوجود الصوديوم كعامل مساعد بالإضافة إلى التسخين.

TiO2 + B2O3→ TiB2

قد تكون بوريدات المعادن غنية بالبورون أو المعادن، بشكل عام تعرف العائلات التالية على أنها غنية بالبورون وتسمى (B-rich) مثل: (MB3 و MB4 و MB6 و MB10 و MB12 و M2B5)، كما تعرف العائلات التالية على أنها غنية بالمعادن وتسمى (M-rich) مثل: (M3B4  و M3B و M4B و M5B و M3B2 و M7B3)، حيث لا تتوافق البوريدات مع المفاهيم العادية للتكافؤ، سواء في القياس المتكافئ أو في البنية؛ أي أن الصيغ لا علاقة لها بما هو متوقع على أساس حالات الأكسدة الرسمية والمتعارف عليها للبورون والمعادن.

التنوع الهيكلي لهذه المواد يعرف بأنه كبير جدًا ويتم تحديده من حيث ترتيب ذرات البورون B داخل الشبكة المعدنية المضيفة. كما أن هيكل أو شكل بوريدات MB6 (على سبيل المثال CaB6) يشبه هيكل من نوع (CsCl) مع وحدات B6، وعند استبدال أيون الكلور Cl- فإن المسافات المتجاورة B-B بين B6- ثماني السطوح (B6-octahedral)، تتشابه مع تلك الموجودة داخل كل وحدة، وهكذا فإن نموذج “الأيون المنفصل” غير مناسب. يمكن وصف الهيكل من نوع MB12 (على سبيل المثال UB12) من حيث هيكل كلوريد الصوديوم، حيث يتم استبدال أيونات الكلور Cl-  بـ B12-icosahedra ولكن مرة أخرى سيكون النموذج الأيوني غير مناسب.

على الرغم من أن هذا الملخص للبوريدات المعدنية موجز، إلا أنه يوضح تعقيد الهياكل التي كثيرا ما نصادفها في كيمياء البورون. الاهتمام البحثي في ​​بوريدات المعادن تم تحفيزه منذ عام 2001م من خلال اكتشاف أن مركب (MgB2) هو موصل فائق بدرجة حرارة حرجة (Tc) تساوي 39 ألف كلفن.

وصف لتنظيم ذرة البورون

• ذرات البورون المعزولة (Isolated B atoms)، ومن أهم الأمثلة على بوريدات المعادن من هذا النوع من الهيكل:(Ni3B, Mn4B, Pd5B2, Ru7B3).

• أزواج من ذرات البورون (Pairs of B atoms)، أمثلة على بوريدات المعادن اعتماد هذا النوع من الهيكل: (Cr5B3).

• السلاسل (Chains)، أمثلة على بوريدات المعادن اعتماد هذا النوع من الهيكل: (V3B4, Cr3B4, HfB, CrB, FeB).

• سلاسل مزدوجة مرتبطة (Linked double chains)، أمثلة على بوريدات المعادن اعتماد هذا النوع من الهيكل (Ta3B4).

• صفائح أو رقائق (Sheets)، أمثلة على بوريدات المعادن اعتماد هذا النوع من الهيكل (MgB2, TiB2, CrB2, Ti2B5, W2B5).

• مرتبط B6 ثماني الأوجه (Linked B6 octahedra)، أمثلة على بوريدات المعادن اعتماد هذا النوع من الهيكل (Li2B6, CaB6, LaB6, CeB6).

• مرتبط B12 عشروني الوجوه (Linked B12 icosahedra)، أمثلة على بوريدات المعادن اعتماد هذا النوع من الهيكل (ZrB12, UB12).

السيراميك وعلاقته بالبوريد

السيراميك القائم على البوريد عبارة عن مواد مرشحة لتطبيقات درجات الحرارة العالية جدًا، ويتم فحصها مؤخرًا كمواد مدرعة بسبب مزيج من خصائصها غير العادية مثل الصلابة العالية وقوة الانضغاط ومعامل المرونة وحد قفزة رانكين المرن وجهود الكفاءة الباليستية (Rankine–Hugoniot conditions).

تم العمل على تطوير مركبات المصفوفة المعدنية القائمة على البوريد مع خواص ميكانيكية محسنة إلى جانب نتائجها التجريبية من مجموعات بحثية مختلفة، وذلك باستخدام تقنيات التلبيد التقليدية وتلبيد البلازما الشرارة، وقد تم بذل مجهود كبير عليها، كما تتم مناقشة استخدام مساعدات التلبيد المختلفة من أجل تكثيف هذه البوريدات ومركباتها بين المعادن، والتي غالبًا ما تؤدي إلى تفاعلات تلبيد غير مرغوب فيها، مما يؤدي إلى تدهور هذه الخاصية.