تيتانات الباريوم

تيتانات الباريوم ( BTO ) مركب غير عضوي صيغته الكيميائية BaTiO₃ . وهو ملح الباريوم لحمض الميتاتيتانيك . يظهر تيتانات الباريوم أبيض اللون على شكل مسحوق _، ويكون شفافًا عند تحضيره على هيئة بلورات كبيرة. وهو مادة خزفية كهروإجهادية ، وكهروحرارية ، وكهرضغطية، تُظهر تأثير الانكسار الضوئي . يُستخدم في المكثفات ، والمحولات الكهروميكانيكية ، والبصريات غير الخطية .

كان الدافع الرئيسي لتطوير تيتانات الباريوم كمادة عازلة هو النقص الحاد في الميكا (المادة القياسية السابقة للمكثفات) مع بداية الحرب العالمية الثانية. ومع تعطيل الحصار الألماني لسلاسل الإمداد العالمية، تكثفت جهود البحث الدولية لتحديد بدائل اصطناعية ذات ثوابت عزل كهربائي عالية. ^{[ 3 ]} في عام 1940، استكشفت مختبرات أبحاث وستنجهاوس دمج ثاني أكسيد التيتانيوم مع أكاسيد المعادن القلوية الترابية ، وأظهرت أن أعلى ثوابت العزل الكهربائي يمكن تحقيقها باستخدام أكسيد الباريوم مع الروتيل ، لتكوين BaTiO3 _. [ ^{4 ] وفي} وقت لاحق، أثبت آرثر ر. فون هيبل خاصية التبديل الفيروكهربائي في BaTiO3 _عام 1945. ^{[ 5 ]}

توجد المادة الصلبة في أحد الأشكال البلورية الأربعة، وذلك تبعًا لدرجة الحرارة. من درجات الحرارة العالية إلى المنخفضة، تكون تناظرات هذه الأشكال البلورية الأربعة مكعبة ، ورباعية ، ومعينية قائمة ، ومعينية الأوجه . تُظهر جميع هذه الأطوار التأثير الكهروإجهادي باستثناء الطور المكعب. يُعد الطور المكعب عند درجات الحرارة العالية الأسهل وصفًا، إذ يتكون من وحدات TiO₆ ثمانية الأوجه منتظمة تتشارك في الزوايا، _تُشكل مكعبًا برؤوس O وحواف Ti-O-Ti. في الطور المكعب، يقع أيون ^Ba²⁺ في مركز المكعب، برقم تنسيق اسمي 12. أما الأطوار ذات التناظر الأقل فتستقر عند درجات حرارة منخفضة، وتتضمن حركة أيون Ti⁴⁺ ^إلى مواقع غير مركزية. تنشأ الخصائص المميزة لهذه المادة من السلوك التعاوني لتشوهات ^Ti⁴⁺ . ^{[ 6 ]}

فوق نقطة الانصهار، يمتلك السائل بنية محلية مختلفة بشكل ملحوظ عن الأشكال الصلبة، حيث ترتبط غالبية أيونات Ti ⁴⁺ بأربعة ذرات أكسجين، في وحدات TiO ₄ رباعية الأوجه ، والتي تتعايش مع وحدات ذات تنسيق أعلى. ^{[ 7 ]}

يمكن تصنيع تيتانات الباريوم باستخدام طريقة التخليق الحراري المائي البسيطة نسبيًا . ^{[ 8 ]} كما يمكن تصنيع تيتانات الباريوم بتسخين كربونات الباريوم وثاني أكسيد التيتانيوم . ويحدث التفاعل عبر التلبيد في الطور السائل . ويمكن تنمية بلورات أحادية عند حوالي 1100  درجة مئوية من فلوريد البوتاسيوم المنصهر . ^{[ 9 ]} غالبًا ما تُضاف مواد أخرى كشوائب ، مثل السترونتيوم، لتكوين محاليل صلبة مع تيتانات السترونتيوم . يتفاعل تيتانات الباريوم مع ثلاثي كلوريد النيتروجين مُنتجًا خليطًا أخضر أو ​​رمادي اللون؛ وتبقى الخصائص الكهروإجهادية لهذا الخليط موجودة في هذه الحالة .

بُذلت جهودٌ كبيرة لدراسة العلاقة بين شكل الجسيمات وخصائصها. يُعدّ تيتانات الباريوم أحد المركبات الخزفية القليلة المعروفة بنموّها غير الطبيعي للحبوب ، حيث تنمو حبوب كبيرة ذات أوجه متعددة ضمن مصفوفة من حبوب أدق، مما يؤثر بشكلٍ كبير على الكثافة والخصائص الفيزيائية. ^{[ 10 ]} يتميز تيتانات الباريوم النانوي البلوري عالي الكثافة بنفاذية كهربائية أعلى بنسبة 40% من نفس المادة المُحضّرة بالطرق التقليدية. ^{[ 11 ]} وقد أظهرت إضافة شوائب تيتانات الباريوم إلى القصدير إنتاج مادة صلبة ذات صلابة لزجة مرنة أعلى من صلابة الماس. يمرّ تيتانات الباريوم بتحوّلين طوريين يُغيّران شكل البلورة وحجمها. يؤدي هذا التحوّل الطوري إلى مواد مركبة يكون فيها لتيتانات الباريوم معامل حجمي سالب ( معامل يونغ )، مما يعني أنه عند تأثير قوة على الشوائب، يحدث إزاحة في الاتجاه المعاكس، مما يزيد من صلابة المادة المركبة. ^{[ 12 ]}

مثل العديد من الأكاسيد ، فإن تيتانات الباريوم غير قابلة للذوبان في الماء، ولكنها تتفاعل مع حمض الكبريتيك . كما أنها قابلة للذوبان في حمض الهيدروكلوريك المركز وحمض الهيدروفلوريك . ^{[ 13 ]} تبلغ فجوة النطاق في درجة حرارة الغرفة 3.2 إلكترون فولت، ولكنها تزداد إلى حوالي 3.5 إلكترون فولت عند تقليل حجم الجسيمات من حوالي 15 إلى 7  نانومتر. ^{[ 1 ]}

تيتانات الباريوم مادة خزفية عازلة تُستخدم في المكثفات ، وتصل قيمة ثابت العزل الكهربائي فيها إلى 7000. ويمكن أن تصل هذه القيمة إلى 15000 ضمن نطاق ضيق من درجات الحرارة؛ بينما تقل قيمة ثابت العزل الكهربائي لمعظم المواد الخزفية والبوليمرية الشائعة عن 10، في حين تتراوح قيمها في مواد أخرى، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ₎ ، بين 20 و70. ^{[ 15 ]} ويُذكر أن مسحوق تيتانات الباريوم عالي النقاء يُعدّ مكونًا أساسيًا في أنظمة تخزين الطاقة الجديدة التي تستخدم مكثفات تيتانات الباريوم والمخصصة للاستخدام في المركبات الكهربائية. ^{[ 16 ]}

هي مادة كهرضغطية تُستخدم في الميكروفونات ومحولات الطاقة الأخرى ، وإن كانت قد استُبدلت إلى حد كبير بزركونات تيتانات الرصاص . يتراوح الاستقطاب التلقائي لبلورات تيتانات الباريوم الأحادية عند درجة حرارة الغرفة بين 0.15  كولوم/م² ^في الدراسات السابقة ^{[ 17 ]} و0.26  كولوم/م² ^في المنشورات الأحدث ^{[ 18 ]} ، وتتراوح درجة حرارة كوري لها بين 120 و130  درجة مئوية. وتعود هذه الاختلافات إلى تقنية النمو، حيث كانت البلورات التي تُنمى بالتدفق سابقًا أقل نقاءً من البلورات الحالية التي تُنمى بعملية تشوخرالسكي ^{[ 19 ]} ، والتي تتميز بالتالي باستقطاب تلقائي أكبر ودرجة حرارة كوري أعلى.

تُستخدم بلورات تيتانات الباريوم في البصريات غير الخطية . تتميز هذه المادة بكسب اقتران شعاعي عالٍ، ويمكن تشغيلها بأطوال موجية مرئية وقريبة من الأشعة تحت الحمراء. كما أنها تتمتع بأعلى انعكاسية بين المواد المستخدمة في تطبيقات اقتران الطور ذاتي الضخ (SPPC). ويمكن استخدامها في مزج الموجات الأربع المستمر بقدرة ضوئية في نطاق الميلي واط. وللتطبيقات الكهروضوئية، يمكن تطعيم تيتانات الباريوم بعناصر أخرى مختلفة، مثل الحديد . ^{[ 20 ]} تُظهر الأغشية الرقيقة من تيتانات الباريوم تعديلًا كهروضوئيًا بترددات تتجاوز 40  جيجاهرتز. ^{[ 21 ]}

تُستخدم الخصائص الكهروحرارية والكهروحرارية لتيتانات الباريوم في بعض أنواع أجهزة الاستشعار غير المبردة للكاميرات الحرارية .

يتميز تيتانات الباريوم متعدد البلورات بمعامل مقاومة حراري موجب ، مما يجعله مادة مفيدة للمقاومات الحرارية وأنظمة التدفئة الكهربائية ذاتية التنظيم . ولتطبيقات هذه المادة، يُصنع تيتانات الباريوم مع مواد مُطعِّمة لإكسابه خصائص أشباه الموصلات. وتشمل تطبيقاته المحددة حماية المحركات من التيار الزائد، ومحولات الإضاءة للمصابيح الفلورية، وسخانات هواء مقصورة السيارات، وسخانات المساحات المنزلية. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

نظراً لتوافقها الحيوي المرتفع، فقد تم استخدام جسيمات تيتانات الباريوم النانوية (BTNPs) مؤخراً كناقلات نانوية لتوصيل الأدوية . ^{[ 24 ]}

تم الإبلاغ عن تأثيرات مغناطيسية كهربائية ذات قوى هائلة في الأغشية الرقيقة التي نمت على ركائز تيتانات الباريوم. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

الباريوبيروفسكايت هو نظير طبيعي نادر جدًا لـ BaTiO3 _، ويوجد على شكل شوائب دقيقة في البينيتويت . ^{[ 27 ]}

• تيتانات السترونتيوم
• تيتانات زركونات الرصاص

• توافق الجسيمات النانوية: تقنية جديدة لمعالجة المواد النانوية المركبة تُنتج مكثفات أكثر قوة. مؤرشف بتاريخ 8 مايو 2009 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• بطاريات المكثف "الشحن الفوري" من EEStor