تلون كهربي

المبدأ

Wa^{5+} + Wb^{6+} + photon -> Wa^{6+} + Wb^{5+}

W_a^{5+} + W_b^{6+} + photon -> W_a^{6+} + W_b^{5+}

علاوةً على ذلك، يستقبل الفلز النشط كهربياً الإلكترونات من الأقطاب الكهربائية مُشَكلاً نصف خلية. بالمعنى الدقيق للكلمة يتكون القطب كوحدة كيميائية من اللوح المسطح إلى جانب المادة شبه الموصلة المتلامسة معها. ومع ذلك، فإن مصطلح "القطب" غالباً ما يشير إلى اللوح المسطح فقط، وبشكل أكثر تحديداً يسمى ركيزة القطب الكهربائي.

WO3 + n (H^+ + e^-) -> H_nWO3

وفي السياق ذاته، يمكن للفوتونات التي تصل إلى طبقة الأكسيد أن تتسبب في تحرك إلكترون بين أيوني فلزين قريبين. تتسبب الطاقة التي يوفرها الفوتون في حركة الإلكترون الذي يؤدي بدوره إلى الامتصاص البصري للفوتون. مثلًا، تحدث العملية التالية في أكسيد التنغستن لأيونات التنغستن a وb:

إضافةً إلى ذلك، يتم إحداث المجال الكهربائي عادةً بواسطة قطبين كهربائيين مسطحين وشفافين يحيطان بالطبقات الحاوية للأيونات. عند تطبيق الجهد الكهربي عبر هذه الأقطاب الكهربائية، يؤدي اختلاف الشحنة بين الجانبين إلى اختراق الأيونات للأكسيد أثناء تدفق الإلكترونات الموازنة للشحنة بين الأقطاب الكهربائية. تعمل هذه الإلكترونات على تغيير تكافؤ ذرات الفلز في الأكسيد، مما يقلل شحنتها كما في المثال التالي لثالث أكسيد التنغستن، مؤدياً إلى تفاعل أكسدة واختزال:

إضافةً إلى ذلك، تحدث ظاهرة التلون الكهربي في بعض أكاسيد الفلزات الانتقالية التي تقوم بتوصيل كلاً من الإلكترونات والأيونات، مثل ثالث أكسيد التنغستن (WO3). تحتوي هذه الأكاسيد على هياكل ثُمانية السطوح من الأكسجين تحيط بذرة الفلز المركزية وترتبط معاً عند الزوايا. ينتج عن هذا الترتيب بنية ثلاثية الأبعاد ذات مسامية نانوية ذات "جسيمات نفقية" بين الأجزاء الفردية ذات الثُماني السطوح. تسمح هذه الأنفاق للأيونات المنفصلة بالمرور عبر المادة عندما يتم تحفيزها بواسطة مجال كهربائي. الأيونات الشائعة المستعملة لهذا الغرض هي H+ و Li+.

مبدأ عمل النوافذ الكهرولونية

وفي هذا الصدد، هناك حاجة إلى طبقات متعددة لنافذة ذكية وظيفية ذات خصائص كهرولونية. الطبقتين الأولى والأخيرة عبارة عن زجاج شفاف مصنوع من السيليكا مع الحاجة إلى قطبين كهربائيين لتطبيق الجهد الكهربي، والذي بدوره يدفع (أو يسحب) أيونات الليثيوم الموجبة من طبقة تخزين الأيونات، من خلال الإلكتروليت إلى المادة الكهرولونية (أو العكس). تطبيق الجهد العالي (4 فولت أو أكثر) سوف يدفع أيونات الليثيوم إلى الطبقة الكهرولونية، مما يؤدي إلى إلغاء تنشيط المادة الكهرولونية، فتكون النافذة شفافة بالكامل. من خلال تطبيق الجهد المنخفض (2,5 فولت مثلًا) يتناقص تركيز أيونات الليثيوم في الطبقة الكهرولونية، وبالتالي ينشط أكسيد التنغستن النشط بالأشعة تحت الحمراء القريبة. يؤدي هذا التنشيط إلى انعكاس ضوء الأشعة تحت الحمراء، وبالتالي تقليل تأثير الاحتباس الحراري، والذي بدوره يقلل من كمية الطاقة اللازمة لتكييف الهواء أثناء الصيف والتدفئة أثناء الشتاء مما يزيد من كفاءة استخدام الطاقة. يمكن حجب أجزاء مختلفة من الطيف على حسب المادة الكهرولونية المستعملة، وبهذه الطريقة يمكن أن تنعكس الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء بشكل مستقل حسب رغبة المستعمل.

2 WO3 + H2 -> 2 HWO3

كذلك، يمكن الحصول على جزيئات ثالث أكسيد التنغستن النانوية من خلال ترسيب بارا بنتاهيدرات تنغستات الأمونيون أو من خلال حمض النتريك تحت ظروف حمضية من المحاليل المائية.

التطبيقات

وفي هذا الصدد، يُستعمل التلون الكهربي بشكل شائع في إنتاج النوافذ الكهربية أو الزجاج الذكي، ومؤخراً شاشات العرض الكهرولونية على الركيزة الورقية كأنظمة مضادة للتزييف مدمجة في التغليف. تمت دراسة مواد أكاسيد النيتروجين على نطاق واسع كأقطاب كهربائية مساعدة للأجهزة الكهرولونية التكميلية، خاصةً بالنسبة للنوافذ الذكية.

• أنظر كذلك
• أجهزة كهرولونية
• زجاج ذكي
• ورق إلكتروني
• فوسفافينالين
• قراءة متعمقة
• مراجع

علاوةً على ذلك، تستعمل قطارات ICE 3 عالية السرعة ألواح زجاجية كهرولونية بين مقصورة الركاب ومقصورة السائق، حيث يمكن ضبطها على الوضع المسنفر أو الوضع الشفاف. تُستعمل النوافذ الكهروضوئية في طائرة بوينغ 787 دريملاينر، مما يسمح للطاقم والركاب بالتحكم في شفافية النوافذ ومنع الوهج.

عملية المعلق الغروي

ومن ناحية أخرى، ينتج الهيدروجين عن طريق تفاعل الكحول والكلور المستعمل لاختزال ثالث أكسيد التنغستن للحصول على محلول أزرق من :

إضافةً إلى ذلك، في عملية المعلق الغروي لثالث أكسيد التنغستن، تتم إذابة سادس كلوريد التنغستن في الكحول ثم أكسدته عن طريق إضافة الأكسجين في المحلول:

(CH3)2CH-OH + 3 Cl2 -> (Cl3C)2=O + 4 H2

2 WCl6 + 3 O2 -> 3 WO3 + 6 Cl2

المواد الكهرولونية

وفي هذا السياق، كذلك تؤثر المواد الكهرولونية المعروفة باسم حاملات الألوان، على اللون البصري أو عتامة السطح عند تطبيق الجهد الكهربي.

وعلى صعيد آخر، تم استخدام الفيولوجينات مع الفينلينيديامين من قبل شركة جينتكس، التي قامت بتسويق مرايا الرؤية الخلفية ذات التعتيم التلقائي والنوافذ الذكية في طائرات بوينغ 787. تم استخدام الفيولوجينات مع ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) في إنشاء شاشات عرض رقمية صغيرة. تعد مجموعة متنوعة من البوليمرات الموصلة كذلك ذات أهمية لشاشات العرض، بما في ذلك البولي بيرول، PEDOT، والبوليانيلين.

كذلك، يُنظر إلى الفيولوجينات وباعتبارها مواد عضوية على أنها بدائل واعدة للتطبيقات الإلكترونية، مقارنةً بالأنظمة القائمة على الفلزات والتي تميل إلى أن تكون باهظة الثمن وسامة وتمثل مشكلة في إعادة تدويرها. تشمل المزايا المحتملة لمركبات الفيولوجينات تباينها البصري وكفاءة التلوين واستقرار تفاعلات الأكسدة والاختزال وسهولة التصميم وإمكانية التوسع في إعداد المساحات الكبيرة.

ومن جهة أخرى، يعتبر ثالث أكسيد التنغستن (WO3) هو المادة الكهرولونية الأكثر شهرة من بين أكاسيد الفلزات والتي تمت دراستها على نطاق واسع. وتشمل المواد الأخرى أكاسيد الموليبدينوم، والتيتانيوم، والنيوبيوم، على الرغم من أنها أقل فعالية بصرياً.

وعلى صعيد آخر، الفيولوجينات هي فئة من المواد العضوية التي يتم دراستها بشكل مكثف لتطبيقاتها الكهرولونية. تُظهر مركبات 4,4′-ثنائي البيريدين تغيرات لونية قابلة للعكس بين انعدام اللون واللون الأزرق الداكن بسبب تفاعلات الأكسدة والاختزال مما يُمَكن للباحثين ضبطها على اللون الأزرق الداكن أو الأخضر المكثف.

وفي هذا الصدد، يمكن تصنيف المواد الكهرولونية إلى فئتين: مركبات عضوية ومركبات غير عضوية. تنقسم المواد غير العضوية بشكل أساسي إلى أكاسيد الفلزات والفلزات الانتقالية ومركبات سداسي سيانوميتالات (الأزرق البروسي). وتنقسم في المركبات العضوية بشكل أساسي إلى البوليمرات الموصلة والفيولوجينات والبوليمرات المعدنية.

تصنيع أكسيد التنغستن

ومن ناحية أخرى، تم استخدام الكثير من الطرق لتصنيع أكسيد التنغستن، بما في ذلك ترسيب البخار الكيميائي، الرش المهبطي، التبخر الحراري، الانحلال الحراري بالرش (من بخار أو معلق غروي)، والتخليق الحراري المائي (من سائل). في الصناعة يعد الرش المهبطي هو الطريقة الأكثر شيوعاً لترسيب أكسيد التنغستن. لتصنيع المواد يتم استخدام طريقة المعلق الغروي على نطاق واسع نظراً لمزايا العملية البسيطة والتكلفة المنخفضة والتحكم السهل.