كيف تم اكتشاف الهافنيوم
اكتشاف الهافنيوم
في عام 1923، اكتشف الكيميائي السويدي هيرفي والفيزيائي الهولندي د. كوستر عنصر الهافنيوم في الزركون المنتج في النرويج وغرينلاند. وأطلق عليه اسم الهافنيوم. وهو مشتق من الاسم اللاتيني هافنيا في كوبنهاغن. في عام 1925، فصل هيرفي وكوستر الزركونيوم والتيتانيوم عن طريق التبلور التجزيئي للمركبات المفلورة للحصول على أملاح الهافنيوم النقية واختزال أملاح الهافنيوم مع فلز الصوديوم للحصول على الهافنيوم المعدني النقي. صنع هيرفسي عدة عينات من الهافنيوم النقي.
وفي عام 1998، ادعى البروفيسور كارل كولينز من جامعة تكساس، في إحدى التجارب، أن Hf 178m2 المشع بأشعة جاما يمكن أن يطلق كميات هائلة من الطاقة، أعلى بخمس مراتب من حيث الحجم من التفاعل الكيميائي، ولكن أقل بثلاث مراتب من حيث الحجم من التفاعل النووي. ويتمتع Hf 178 M2 بأطول عمر في النظائر الطويلة العمر المماثلة: يبلغ عمر النصف لـ Hf 178 M2 31 سنة، وبالتالي فإن النشاط الإشعاعي الطبيعي له يبلغ حوالي 1.6 تريليون بيكريل. ويذكر كولينز أن جرامًا واحدًا من Hf178m2 النقي يحتوي على حوالي 1330 ميجا جول؛ وهو ما يعادل الطاقة المنطلقة من انفجار 300 كيلوجرام من مادة TNT.
ويفيد كولينز أن كل الطاقة في هذا التفاعل تنطلق في شكل أشعة سينية أو أشعة غاما، وهي سريعة جدًا، ويتفاعل Hf178m2 بتركيزات منخفضة جدًا. وقد خصصت وزارة الدفاع الأمريكية أموالاً لهذا الغرض. وكانت نسبة الإشارة إلى الضوضاء في التجربة منخفضة للغاية، ومنذ ذلك الحين، لم يتمكن أي عالم من تحقيق هذا التفاعل في ظل الظروف التي ادعى كولينز وجودها، على الرغم من التجارب العديدة التي أجراها علماء من منظمات مختلفة، بما في ذلك وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة ومجموعة جاسون الاستشارية الدفاعية، وفشل كولينز في تقديم دليل قوي على وجوده. وفي عام 2006، اقترح كولينز استخدام انبعاث أشعة غاما المستحثة لإطلاق الطاقة من Hf178m2 ولكن علماء آخرين أثبتوا استحالة ذلك نظرياً. ويُنظر إلى Hf178m2 على نطاق واسع كمصدر للطاقة في الأوساط الأكاديمية.
منتجات الهافنيوم واستخداماته
نظرًا لسهولة نقل الهافنيوم للإلكترونات، فإنه ذو فائدة كبيرة. ويستخدم ككاثود لأنابيب الأشعة السينية، ويستخدم الهيدروفلوروالهيدروجين وسبائك التنغستن أو المونيوم كأقطاب لأنابيب التفريغ عالية الجهد. يشيع استخدام صناعة تصنيع خيوط الكاثود والتنغستن في صناعة خيوط التنغستن كأشعة سينية. ويُعد الهافنيوم النقي مادة مهمة في صناعة الطاقة الذرية نظراً لمرونته وسهولة معالجته ومقاومته لدرجات الحرارة العالية ومقاومته للتآكل. ويمتلك الهافنيوم مقطع عرضي كبير لالتقاط النيوترونات الحرارية وهو ممتص مثالي للنيوترونات. ويمكن استخدامه كقضيب تحكم وجهاز حماية في المفاعل النووي. يمكن استخدام مسحوق الهافنيوم كمروحة للصواريخ. يمكن تصنيع كاثود أنبوب الأشعة السينية في الصناعة الكهربائية. يمكن استخدام سبيكة Hf-Ta كطبقة واقية أمامية لفوهات الصواريخ والمركبات العائدة الانزلاقية. يمكن استخدام سبيكة Hf-Ta كأداة للصلب والمواد المقاومة. يُستخدم الهافنيوم في السبائك المقاومة للحرارة كعنصر مضاف، مثل التنجستن والموليبدينوم وسبائك التنتالوم، مع إضافة الهافنيوم. يمكن استخدام HfC كمادة مضافة للكربيد الأسمنتي نظرًا لصلابته العالية ونقطة انصهاره العالية. وتبلغ درجة انصهار 4TaCHfC حوالي 4215 درجة مئوية، وهو أعلى مركب ذو درجة انصهار. يمكن استخدام الهافنيوم كمحصل للعديد من الأنظمة القابلة للنفخ. يمكن لمحصل الهافنيوم إزالة الأكسجين والنيتروجين في النظام بدون غاز. وغالباً ما يستخدم الهافنيوم كمادة مضافة في الزيت الهيدروليكي لمنع تطاير الزيت الهيدروليكي في العمليات عالية الخطورة. وله مضاد قوي للتطاير، لذلك يستخدم بشكل عام في الزيت الهيدروليكي الصناعي والطبي.
تُستخدم عناصر الهافنيوم أيضًا في أحدث إنتل45 النانومترية. ونظرًا لأن ثاني أكسيد السيليكون ( SiO2) قابل للتصنيع ويمكنه تقليل السماكة لتحسين أداء الترانزستور باستمرار، يستخدم مصنعو المعالجات السيليكا كمادة عازلة للبوابة. عندما أدخلت Intel عملية التصنيع التي يبلغ سمكها 65 نانومتر، تم تقليل سمك عازل شبكة ثاني أكسيد السيليكون إلى 1.2 نانومتر، أي ما يعادل 5 طبقات من الذرات. ولكن، مع تقليل الترانزستور إلى حجم الذرات، ستزداد صعوبة استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة في الوقت نفسه، مما يؤدي إلى إهدار التيار والطاقة الحرارية غير الضرورية. لذلك، إذا واصلنا استخدام التيار، فسيتم تقليل التيار. ستزداد المواد، مما يقلل من سمك إمكانية تسرب العازل الكهربائي للبوابة بشكل كبير، مما يقلل من تقنية الترانزستور التي تواجه الحد الأقصى. ومن أجل حل هذه المشكلة الرئيسية، اقترحت شركة Intel رسميًا استبدال ثاني أكسيد السيليكون بمواد أكثر سمكًا عالية الكيلومتر (مواد قائمة على الهافنيوم) كعازل للبوابة، والتي نجحت أيضًا في تقليل التسرب بأكثر من 10 مرات. وبالمقارنة مع تقنية 65 نانومتر السابقة، ضاعفت عملية إنتل التي تبلغ 45 نانومتر كثافة الترانزستور تقريبًا، وزادت العدد الإجمالي للترانزستورات في المعالج، أو قللت من حجم المعالج. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب تبديل الترانزستور طاقة أقل، مما قلل من استهلاك الطاقة بنسبة 30% تقريبًا، وتستخدم الوصلات البينية الداخلية أسلاكًا نحاسية ذات عازل منخفض k.
