تقنية يابانية تمهد لتصنيع جيل جديد من أجهزة الاستشعار والمكونات الإلكترونية

طوّر باحثون يابانيون تقنية تتيح تشكيل مواد بلورية شديدة المسامية بدقة نانوية في درجة حرارة الغرفة، باستخدام سوائل أيونية لحماية بنيتها الهشة من التلف أثناء التصنيع، في تقدم يمهد لتطوير جيل جديد من أجهزة الاستشعار الكيميائية، والمكونات الإلكترونية، وأدوات التحليل المتقدمة.

ووفقاً للبحث المنشور في دورية "Communications Materials"، تغلب باحثون بجامعة طوكيو للعلوم في اليابان، على إحدى العقبات الرئيسية أمام استخدام الأطر المعدنية العضوية في الأجهزة الإلكترونية، وهي تعرض بنيتها البلورية للتلف عند تشكيلها بواسطة حزم الجسيمات عالية الطاقة.

وتنتمي هذه المواد، المعروفة اختصاراً باسم "MOFs"، إلى فئة من المركبات المسامية التي تتكون من أيونات معدنية مرتبطة بجزيئات عضوية، وتتميز باحتوائها على شبكة من التجاويف المجهرية القادرة على احتجاز الغازات والملوثات، والمشاركة في التفاعلات الكيميائية.

وتمنح هذه الخصائص المواد إمكانات واسعة في تخزين الغازات، وفصل المواد الكيميائية، وتنقية البيئة، فضلاً عن تصنيع مستشعرات عالية الحساسية تستطيع رصد كميات ضئيلة من المركبات المختلفة، لكن تحويل هذه المواد إلى مكونات إلكترونية عملية ظل يمثل تحدياً، بسبب هشاشة بنيتها، وصعوبة تشكيلها بأبعاد دقيقة، دون الإضرار بخصائصها الأساسية.

تقنية تحمي مسام المواد من التلف

اعتمد الباحثون على فكرة بسيطة تتمثل في ملء المسام الداخلية للمواد بسوائل أيونية، وهي أملاح تتكون من جسيمات مشحونة كهربائياً، وتظل في الحالة السائلة عند درجات حرارة منخفضة نسبياً، ويتميز كثير منها بانخفاض تطايره واستقراره الحراري.

وقال الباحثون إن وجود هذه السوائل داخل التجاويف يزيد صلابة المادة، ويحسّن قدرتها على تحمل التأثيرات الميكانيكية والحرارية والكهربائية المصاحبة لعمليات التصنيع الدقيقة.

وقالت الباحثة الرئيسية للدراسة، يومنج تشنج، إن الباحثين طوروا طريقة بسيطة لإجراء الحفر الجاف لهذه المواد الهشة في درجة حرارة الغرفة، موضحة أن إدخال السوائل الأيونية إلى مسامها يحسّن استقرارها الميكانيكي بدرجة كبيرة، ويقلل الضرر الناتج عن التعرض لحزم الإلكترونات والأيونات.

ويستخدم الحفر الجاف على نطاق واسع في تصنيع المكونات الإلكترونية؛ إذ تعتمد العملية على إزالة أجزاء محددة من المادة باستخدام جسيمات عالية الطاقة، بما يسمح بتشكيل خطوط وتجويفات وأنماط مجهرية وفق تصميمات دقيقة.

غير أن هذه الجسيمات قد تدمر الروابط التي تحافظ على تماسك الأطر المعدنية العضوية، ما يؤدي إلى انهيار أجزاء من بنيتها وظهور تجاويف غير مرغوبة.

تجارب على مركب قائم على النحاس

اختبر الباحثون التقنية باستخدام أحد الأطر المعدنية العضوية المعروفة باسم "Cu3BTC2"، وهو مركب قائم على النحاس وحمض البنزين ثلاثي الكربوكسيل، ويتميز ببنية بلورية تحتوي على مسام منتظمة.

واستخدم الباحثون 4 أنواع من السوائل الأيونية القائمة على مركبات "Imidazolium"، بحيث تشغل السوائل ما بين 50 و60% من الحجم الإجمالي للمسام الداخلية.

وبعد معالجة العينات، استخدم الباحثون حزمة مركزة من أيونات "Gallium ions" لحفر أشكال دقيقة داخل المادة في درجة حرارة الغرفة، ثم قارنوا النتائج بعينات لم تخضع للمعالجة.

وأظهرت التجارب أن العينات غير المعالَجة تعرضت لأضرار واضحة في بنيتها البلورية، شملت تكون تجاويف كبيرة، وتشوهات في المناطق التي اصطدمت بها الحزمة الأيونية.

وفي المقابل، احتفظت العينات المشبعة بالسوائل الأيونية بقدر أكبر من سلامة بنيتها المجهرية، مع انخفاض ملحوظ في التلف الظاهر تحت ظروف الاختبار.

وتمكن الباحثون من تشكيل مربع تبلغ أبعاده 5 ميكرومترات في 5 ميكرومترات، إلى جانب عمود دقيق ورمز كتابي صيني، بخطوط محفورة يتراوح عرضها بين 130 و300 نانومتر.

والنانومتر يساوي واحداً من مليار من المتر، بينما يعادل الميكرومتر 1000 نانومتر، ما يوضح مستوى الدقة الذي يمكن الوصول إليه باستخدام هذه التقنية.

وتشير النتائج إلى إمكانية تشكيل أنماط هندسية معقَّدة داخل مواد كانت تتعرض سابقاً لتلف كبير عند إخضاعها لعمليات الحفر الجاف التقليدية.

الحد من تراكم الكهرباء في البنية البلورية

ورجح الباحثون أن السوائل الأيونية تؤدي عدة وظائف متكاملة أثناء عملية الحفر، منها امتصاص جزء من الحرارة الناتجة عن اصطدام الجسيمات بالمادة، والمساعدة في الحد من تراكم الشحنات الكهربائية داخل البنية البلورية؛ فعندما تصطدم الأيونات عالية الطاقة بسطح المادة، يمكن أن ترتفع درجة الحرارة محلياً، وتتراكم شحنات كهربائية تؤثر في الروابط الكيميائية، وتزيد احتمالات حدوث التشوهات والتلف.

وقد تساعد الخصائص الحرارية للسوائل الأيونية على تخفيف التغيرات المفاجئة في الحرارة، بينما يمكن لإعادة توزيع الأيونات داخل المسام أن تحد من تأثير المجالات الكهربائية الموضعية.

وأظهرت التحليلات الحرارية أن العينات المعالجة بدأت تتحلل عند درجات حرارة أعلى مقارنة بالعينات غير المعالجة، ما يشير إلى تحسن قدرتها على مقاومة التأثيرات الحرارية.

وكشفت اختبارات الصلابة أن جميع العينات المعالجة بالسوائل الأيونية الأربعة أصبحت أكثر صلابة، في حين ظلَّت درجة جسامتها، المرتبطة بمقاومة التشوه المرن، دون تغيرات كبيرة، ومع ذلك، فإن الآليات التفصيلية للحماية لا تزال بحاجة إلى مزيد من التحقق، خاصة في ما يتعلق بمساهمة كل من امتصاص الحرارة وتوزيع الشحنات في تقليل التلف.

الاستغناء عن التبريد الشديد

وتكمن إحدى أبرز مزايا التقنية في إمكانية إجراء الحفر عند درجة حرارة الغرفة، بدلاً من الاعتماد على التبريد الشديد الذي كان يستخدم في بعض طرق الحفر الفيزيائي لحماية هذه المواد، وتتطلب التقنيات المبردة تجهيزات إضافية للتحكم في درجات الحرارة، وقد تستخدم النيتروجين السائل، ما يزيد تعقيد التصنيع وتكلفته التشغيلية.

أما الطريقة الجديدة فتتيح، من حيث المبدأ، إجراء عمليات تشكيل دقيقة دون حاجة إلى هذه التجهيزات، الأمر الذي قد يسهّل دمج الأطر المعدنية العضوية في عمليات تصنيع الأجهزة الإلكترونية.

وقال الباحث المشارك في الدراسة، كينتارو كينوشيتا، إن الباحثين يتوقعون إمكان استخدام التقنية في أجهزة الاستشعار عالية الحساسية، وأدوات الفصل والتحليل الكيميائي، والأجهزة المعتمدة على التفاعلات التحفيزية.

وأضاف أن هذه الطريقة قد تصبح تقنية أساسية تربط بين الخصائص الاستثنائية للأطر المعدنية العضوية وإمكان استخدامها في أجهزة عملية.

وتكتسب هذه النتائج أهمية إضافية في ضوء وجود نحو 100 ألف إطار معدني عضوي معروف، تتميز بتنوع كبير في تركيبها الكيميائي وأحجام مسامها وخصائصها الوظيفية.

ومع ذلك، اقتصرت التجارب المعلنة على إطار قائم على النحاس، ولم تثبت بعد إمكانية تطبيق الطريقة على جميع أنواع هذه المواد، أو دمجها في خطوط الإنتاج الصناعي. كما لم تقدم الدراسة دليلاً على تصنيع جهاز إلكتروني تجاري مكتمل باستخدام التقنية، أو إثبات احتفاظ جميع المواد بوظائفها الأصلية بعد الحفر والمعالجة.

ويرى الباحثون أن الخطوة التالية تتمثل في توسيع الاختبارات لتشمل أطراً معدنية عضوية مختلفة، ودراسة تأثير السوائل الأيونية على أدائها الوظيفي، تمهيداً لتطوير مكونات إلكترونية، ومستشعرات تستفيد من خصائصها المسامية الفريدة، وبذلك، لا تقتصر أهمية الابتكار على تحسين مقاومة مادة هشة للتلف، بل تمتد إلى إزالة عقبة تصنيعية ظلت تحد من تحويل فئة واسعة من المواد المتقدمة من المختبرات إلى تطبيقات تكنولوجية عملية.