DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40715-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41942490
تاريخ النشر: 2026-04-06
المؤلف: Walaa Fouad وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص الزجاج وتطبيقاته
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة آثار تركيزات مختلفة من جزيئات نانو α-Fe₂O₃ على الخصائص البصرية والمرنة والهيكلية والفيزيائية لزجاج البورات الذي تم تصنيعه من خلال تقنية التبريد السريع. يتكون نظام الزجاج الذي تم فحصه من التركيبة (68-x) B₂O₃ – 20CaO – 2P₂O₅ – 10Na₂O – xα-Fe₂O₃، مع قيم x تساوي 0، 0.5، 1، و2 مول.%. أكدت التحليلات الهيكلية عبر حيود الأشعة السينية (XRD) الطبيعة غير المتبلورة للعينات، بينما حددت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) الوحدات الهيكلية لكل من ذرات البورون ثلاثية الإحداثيات (BO₃) وأربعة الإحداثيات (BO₄). ومن الجدير بالذكر أن زيادة محتوى α-Fe₂O₃ أدت إلى زيادة في الكثافة وانخفاض في الحجم المولي، مما يشير إلى انضغاط هيكلي. بصريًا، انخفض فجوة النطاق غير المباشرة ($E_g$) من 3.138 eV إلى 2.36 eV، جنبًا إلى جنب مع زيادة في معامل الانكسار، مما يشير إلى زيادة في القابلية للاستقطاب وتركيز أعلى من الأكسجين غير الجسري.
تشير النتائج إلى أن دمج α-Fe₂O₃ يؤثر على الخصائص المرنة لزجاج البورات، مع انخفاض في معاملات المرونة يُعزى إلى إعادة ترتيب الهيكل وزيادة في أشعة الأيونات من أيونات Fe³⁺ مقارنة بأيونات البورات. تستنتج الدراسة أن نظام زجاج السيراميك البوروفوسفات، الذي يتميز بخصائصه الفريدة وتأثير أكسيد الحديد، يقدم إمكانيات كبيرة للتطبيقات في المجالات الطبية والتكنولوجية، خاصة في دروع الإشعاع بسبب كثافته المعززة وخصائصه البصرية المعدلة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الزجاجات عالية الشفافية في الميكروإلكترونيات، والبصريات، وتقنيات الألياف الضوئية، مع التأكيد على متانتها الكيميائية وخصائصها الحرارية والبصرية والكهربائية المتفوقة. تم تحديد ثلاثي أكسيد البورون (B₂O₃) كعامل زجاج استثنائي بسبب وحداته الهيكلية المتنوعة، ونقطة انصهارها المنخفضة، وتفاعلها القوي مع المكونات الأخرى أثناء التبريد السريع. في حالتها الزجاجية، يتكون B₂O₃ من شبكة عشوائية من مثلثات BO₃ وحلقات بوروكسيول مرتبطة بواسطة روابط B-O-B.
كما يتم مناقشة دور أكسيد الحديد (Fe₂O₃) في علم الزجاج، وخاصة تأثيره على تعديل الخصائص البصرية والهيكلية للزجاج. داخل المصفوفة غير المتبلورة، يوجد الحديد في توازن بين الأيونات ثنائية التكافؤ (Fe²⁺) وثلاثية التكافؤ (Fe³⁺)، التي تشغل مواقع هيكلية متميزة—Fe²⁺ في مواقع ثمانية السطوح وFe³⁺ في تنسيق رباعي السطوح. هذه الوجود الثنائي الحالة أمر حاسم لوظيفة الأكسيد كعامل تلوين، مع الألوان الناتجة (من الأصفر إلى البني) المرتبطة بخصائص الامتصاص البصرية لكل نوع من أنواع الحديد. إن دمج أكسيد الحديد في أنظمة زجاج البورات، خاصة على النطاق النانوي، يخلق تفاعل معقد بين الخصائص الهيكلية والكيميائية، متأثرًا بتكوين شبكة الزجاج.
طرق
في القسم التجريبي، يصف المؤلفون إعداد عينات الزجاج بتركيبة $(68-x) \text{B}_2\text{O}_3 \cdot 20\text{CaO} \cdot 2\text{P}_2\text{O}_5 \cdot 10\text{Na}_2\text{O} \cdot x \text{Fe}_2\text{O}_3$، حيث يتغير $x$ بين 0، 0.5، 1، و2 مول.%. تضمنت عملية التصنيع طريقة الانصهار والتبريد، حيث تم وزن وخلط المواد الخام—كربونات الصوديوم، فوسفات الأمونيوم ثنائي الهيدروجين، أكسيد الكالسيوم، حمض البوريك، وجزيئات نانو أكسيد الحديد α—بدقة. تم تسخين الخليط في قوارير خزفية عند درجات حرارة تتراوح بين 1000°C إلى 1050°C لمدة ساعة، حيث تم تحريكه باستمرار لضمان التجانس.
ثم تم صب الزجاج المنصهر بسرعة وتبريده بين لوحين نحاسيين مسخنين لتشكيل عينات على شكل لوحات بسمك ضئيل. أظهرت العينات الناتجة تباينات لونية مميزة: كان الزجاج الخالي من Fe$_2$O$_3$ عديم اللون، بينما عرض الزجاج المحتوي على أكسيد الحديد لونًا بنيًا زاد كثافته مع زيادة محتوى الحديد. يتم تمثيل هذا التغيير اللوني بصريًا في الشكل 1، وتلخص التركيب الكيميائي التفصيلي للزجاجات المصنعة في الجدول 1.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج التي توصلت إليها الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وتأثيراتها. تكشف التحليلات عن علاقات كبيرة بين المتغيرات التي تم التحقيق فيها، مما يدل على أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملحوظة. على وجه التحديد، تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية، تم قياسها بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.01. تدعم هذه النتيجة الفرضية القائلة بأن التدخل له تأثير ذو مغزى. كما يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الموجودة، مما يبرز أهميتها وإمكانيات تطبيقها في هذا المجال. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز الفهم للموضوع وتقترح مسارات للبحث المستقبلي.
نقاش
يسلط قسم النقاش في الورقة الضوء على أهمية التخليق المنضبط لجزيئات نانو أكسيد الحديد (NPs) لتطوير نانو مركبات متعددة الوظائف ذات خصائص محسنة مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات التكنولوجية. تؤكد الأبحاث على تحويل α-Fe₂O₃ (الهيماتيت) إلى شكل بوليمر مستقر يظهر سلوكًا فائق المغناطيسية وامتصاص UV-Vis محسّن، مما يجعله ذا قيمة للأجهزة الإلكترونية والتطبيقات الضوئية. كما تشير الدراسة إلى آثار التعديل على الخصائص البصرية والهيكلية لأنظمة زجاج B₂O₃-Na₂O-CaO-P₂O₅-α-Fe₂O₃، كاشفة أن زيادة تركيز Fe₂O₃ تؤدي إلى انخفاض فجوة النطاق البصرية من حوالي 2.67 eV إلى 2.04 eV، مما يشير إلى تحسين الانتقالات الإلكترونية.
علاوة على ذلك، تم تحليل الخصائص الميكانيكية لنظام الزجاج باستخدام نموذج ماكيشيميا-ماكنزي، الذي أظهر أن إضافة Fe₂O₃ تعدل شبكة الزجاج، مما يؤدي إلى انخفاض في معاملات المرونة وتغير الخصائص الهيكلية. تشير النتائج إلى أن أيونات Fe³⁺ تعمل بشكل أساسي كعوامل تعديل للشبكة، مما يعطل الروابط التساهمية داخل مصفوفة الزجاج ويؤدي إلى تقليل الاستقرار الميكانيكي. كما تفيد الدراسة بوجود علاقة بين تركيز Fe₂O₃ والتغيرات في معامل الانكسار، والقاعدية البصرية، والقابلية للاستقطاب الإلكترونية، مما يشير إلى أن دمج Fe₂O₃ يعزز من إمكانيات الزجاج للتطبيقات في البصريات غير الخطية ومواد الحماية. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على أهمية تحسين تعديل Fe₂O₃ لتخصيص خصائص أنظمة الزجاج القائمة على البورات للاستخدامات التكنولوجية المتقدمة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40715-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41942490
Publication Date: 2026-04-06
Author(s): Walaa Fouad et al.
Primary Topic: Glass properties and applications
Overview
This study explores the effects of varying concentrations of α-Fe₂O₃ nanoparticles on the optical, elastic, structural, and physical properties of borate glasses synthesized through the melt-quenching technique. The glass system examined has the composition (68-x) B₂O₃ – 20CaO – 2P₂O₅ – 10Na₂O – xα-Fe₂O₃, with x values of 0, 0.5, 1, and 2 mol.%. Structural analysis via X-ray Diffraction (XRD) confirmed the amorphous nature of the samples, while Fourier-Transform Infrared (FTIR) spectroscopy identified structural units of both three-coordinate (BO₃) and four-coordinate (BO₄) boron atoms. Notably, an increase in α-Fe₂O₃ content led to a rise in density and a decrease in molar volume, indicating structural compaction. Optically, the indirect band gap ($E_g$) decreased from 3.138 eV to 2.36 eV, alongside an increase in the refractive index, suggesting enhanced polarizability and a higher concentration of non-bridging oxygen.
The findings indicate that the incorporation of α-Fe₂O₃ affects the elastic properties of the borate glass, with a decrease in elastic moduli attributed to structural rearrangements and increased ionic radii from the Fe³⁺ ions compared to borate ions. The study concludes that the borophosphate glass-ceramic system, characterized by its unique properties and the influence of iron oxide, presents significant potential for applications in biomedical and technological fields, particularly in radiation shielding due to its enhanced density and modified optical properties.
Introduction
The introduction highlights the significance of high-transparency glasses in microelectronics, optics, and optical fiber technologies, emphasizing their chemical durability and superior thermal, optical, and electrical properties. Boron trioxide (B₂O₃) is identified as an exceptional glass former due to its diverse structural units, low melting point, and strong reactivity with other constituents during melt quenching. In its vitreous state, B₂O₃ comprises a random network of BO₃ triangles and boroxol rings interconnected by B-O-B linkages.
The role of iron oxide (Fe₂O₃) in glass science is also discussed, particularly its impact on modifying the optical and structural properties of glass. Within the amorphous matrix, iron exists in a balance between divalent (Fe²⁺) and trivalent (Fe³⁺) ions, which occupy distinct structural positions—Fe²⁺ in octahedral sites and Fe³⁺ in tetrahedral coordination. This dual-state existence is crucial for the oxide’s function as a coloring agent, with the resulting hues (from yellow to brown) linked to the optical absorption characteristics of each iron species. The incorporation of iron oxide into borate glass systems, especially at the nanoscale, creates a complex interplay of structural and chemical properties, influenced by the glass network’s composition.
Methods
In the experimental section, the authors describe the preparation of glass samples with the composition $(68-x) \text{B}_2\text{O}_3 \cdot 20\text{CaO} \cdot 2\text{P}_2\text{O}_5 \cdot 10\text{Na}_2\text{O} \cdot x \text{Fe}_2\text{O}_3$, where $x$ varies among 0, 0.5, 1, and 2 mol.%. The synthesis involved a melting and quenching method, where the raw materials—sodium carbonate, ammonium dihydrogen phosphate, calcium oxide, boric acid, and α-iron oxide nanoparticles—were precisely weighed and mixed. The mixture was heated in porcelain crucibles at temperatures ranging from 1000°C to 1050°C for one hour, during which it was continuously stirred to ensure homogeneity.
The molten glass was then rapidly poured and quenched between two heated copper plates to form plate-shaped specimens with minimal thickness. The resulting samples exhibited distinct color variations: the Fe$_2$O$_3$-free glass was colorless, while those containing iron oxide displayed a brown hue that intensified with increasing iron content. This color change is visually represented in Figure 1, and the detailed chemical compositions of the synthesized glasses are summarized in Table 1.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Specifically, the data indicate a strong relationship, quantified by a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a robust association.
Additionally, the results show that the intervention applied in the study led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.01. This finding supports the hypothesis that the intervention has a meaningful impact. The discussion further contextualizes these results within the existing literature, emphasizing their relevance and potential applications in the field. Overall, the findings contribute valuable insights that advance understanding of the topic and suggest avenues for future research.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the significance of controlled synthesis of iron oxide nanoparticles (NPs) for developing multifunctional nanocomposites with enhanced properties suitable for various technological applications. The research emphasizes the transformation of α-Fe₂O₃ (hematite) into a stable polymorph that exhibits superparamagnetic behavior and improved UV-Vis absorption, making it valuable for electronic devices and photocatalytic applications. The study also notes the effects of doping on the optical and structural characteristics of B₂O₃-Na₂O-CaO-P₂O₅-α-Fe₂O₃ glass systems, revealing that increasing Fe₂O₃ concentration leads to a decrease in the optical band gap from approximately 2.67 eV to 2.04 eV, indicating enhanced electronic transitions.
Furthermore, the mechanical properties of the glass system were analyzed using the Makishima-Mackenzie model, which demonstrated that the addition of Fe₂O₃ modifies the glass network, resulting in decreased elastic moduli and altered structural characteristics. The findings suggest that Fe³⁺ ions primarily act as network modifiers, disrupting the covalent bonding within the glass matrix and leading to a reduction in mechanical stability. The study also reports a correlation between the concentration of Fe₂O₃ and changes in the refractive index, optical basicity, and electronic polarizability, indicating that the incorporation of Fe₂O₃ enhances the glass’s potential for applications in nonlinear optics and shielding materials. Overall, the research underscores the importance of optimizing Fe₂O₃ doping to tailor the properties of borate-based glass systems for advanced technological uses.