DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-44397-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41975190
تاريخ النشر: 2026-04-13
المؤلف: Naglaa AbdelAll وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص وأستخدامات أكسيد المغنيسيوم
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تخليق وتوصيف هياكل أكسيد المغنيسيوم (MgO) النانوية المنتجة عبر طريقة السول-جل، مع التركيز على خصائصها الهيكلية والميكروهيكلية والبصرية والعازلة. أكدت تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) وجود طور مكعب بلوري بحجم بلورات متوسط يتراوح بين 30-50 نانومتر، مدعومًا بملاحظات المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) لأشكال شبه كروية إلى متعددة الأوجه. استخدمت الدراسة تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك طرق ويليامسون-هول وهالدر-فاغنر، لتقييم تأثيرات اتساع القمة المنسوبة إلى إجهاد الشبكة والعيوب. كشفت القياسات البصرية عن فجوة نطاق مخفضة تبلغ حوالي 4.48 إلكترون فولت، مقارنة بقيمة MgO الكتلية البالغة 7.8 إلكترون فولت، بسبب الحبس الكمي وحالات العيوب، بينما أشارت طاقة أورباخ البالغة 168 ميلي إلكترون فولت إلى اضطراب هيكلي كبير.
أظهرت تحليلات العزل الكهربائي والتوصيل المتناوب سلوكًا يعتمد على التردد يتماشى مع قانون القوة الشامل لجونسشر، مما يبرز آليات التوصيل القافز. كشفت طيفية المعاوقة عن قوس نصف دائري واحد في مخطط كول-كول، مما يشير إلى مساهمات حبوب الكتلة السائدة في الاسترخاء العازل. تؤكد النتائج على التفاعل بين العيوب الميكروهيكلية والخصائص البصرية والإلكترونية لجزيئات MgO النانوية، مما يبرز إمكانياتها للتطبيقات في الإلكترونيات الضوئية، والأفلام العازلة، والتصوير الضوئي. تؤكد الدراسة على أهمية هندسة العيوب في تحسين الأداء الوظيفي لهذه الهياكل النانوية، مقترحة اتجاهات بحث مستقبلية تشمل دمج جزيئات MgO النانوية في المواد المركبة لتعزيز التطبيقات.
طرق
في هذه الدراسة، تم تخليق جزيئات أكسيد المغنيسيوم (MgO) النانوية باستخدام طريقة السول-جل. بدأت العملية بإضافة 0.03 مول من حمض الستريك إلى 300 مل من الماء المنزوع الأيونات، تلاها تحريك قوي بسرعة 1000 دورة في الدقيقة لمدة 30 دقيقة عند 80 درجة مئوية. بعد ذلك، تم دمج 0.03 مول من نترات المغنيسيوم سداسية الماء، Mg(NO₃)₂·6H₂O، في المحلول، الذي تم تحريكه لمدة 3 ساعات إضافية. تم ضبط الرقم الهيدروجيني للمزيج إلى 9 باستخدام محلول الأمونيا.
بعد التفاعل، تم تجفيف المحلول عند 200 درجة مئوية لمدة 12 ساعة، مما أسفر عن رماد أسود، تم بعد ذلك حرقه في فرن مفلط عند 750 درجة مئوية لمدة 4 ساعات. تم اختيار درجة حرارة الحرق هذه بناءً على توصيات الأدبيات، حيث إنها فوق 400 درجة مئوية للحفاظ على البلورية بينما تبقى أقل من 900 درجة مئوية للحفاظ على الهيكل النانوي للجزيئات. كان المنتج النهائي مسحوقًا أبيض، تم إعداده للتحليل والتوصيف اللاحق. تم تقديم مخطط انسيابي يوضح عملية التخليق في الشكل 1.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون التوصيف الهيكلي لجزيئات أكسيد المغنيسيوم (MgO) النانوية التي تم تخليقها باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية (XRD)، مع استخدام طريقة براج-برينتانو لجمع البيانات. كشفت التحليلات عن درجة عالية من البلورية، كما يتضح من نسبة الضوضاء الخلفية إلى شدة القمة الدنيا ووجود خمس قمم متميزة تتوافق مع الهيكل البلوري المكعب لـ MgO. تم استخدام تحسين ريتفيلد لتأكيد نقاء الطور ولتحديد معلمات الشبكة، حيث كانت النتائج متوافقة جيدًا مع البيانات المعروفة. كما قدم التحسين رؤى حول الخصائص الميكروهيكلية، مثل قيم العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM)، والتي تعتبر حاسمة لفهم حجم البلورات وإجهاد الشبكة.
استكشف المؤلفون أيضًا توزيع كثافة الإلكترون داخل خلية وحدة MgO، مستخدمين أدوات G-Fourier لتصور خريطة كثافة الإلكترون، مما أكد الهيكل المكعب المتمركز في الوجه. أشارت التحليلات الميكروهيكلية إلى أن عينة MgO أظهرت إجهادًا غير متساوٍ، كما يتضح من الانحرافات عن الخطية في مخططات ويليامسون-هول. تم تطبيق نماذج متنوعة، بما في ذلك نموذج إجهاد التشوه الموحد (USDM) ونموذج كثافة طاقة التشوه الموحد (UDEDM)، لتقييم الإجهاد الداخلي والإجهاد، مما يكشف عن تعقيدات في الظروف الميكروهيكلية التي لم يكن من الممكن التقاطها بالكامل بواسطة نماذج أبسط. تبرز الدراسة أهمية التقنيات التحليلية المتقدمة في توضيح الخصائص الهيكلية والميكروهيكلية لجزيئات MgO النانوية، والتي تعتبر ضرورية لتحسين أدائها في تطبيقات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-44397-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41975190
Publication Date: 2026-04-13
Author(s): Naglaa AbdelAll et al.
Primary Topic: Magnesium Oxide Properties and Applications
Overview
This research investigates the synthesis and characterization of magnesium oxide (MgO) nanostructures produced via the sol-gel method, focusing on their structural, microstructural, optical, and dielectric properties. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed a crystalline cubic phase with an average crystallite size of 30-50 nm, supported by transmission electron microscopy (TEM) observations of quasi-spherical to polyhedral morphologies. The study employed various analytical techniques, including the Williamson-Hall and Halder-Wagner methods, to assess peak broadening effects attributed to lattice strain and defects. Optical measurements revealed a reduced band gap of approximately 4.48 eV, compared to the bulk MgO value of 7.8 eV, due to quantum confinement and defect states, while the Urbach energy of 168 meV indicated significant structural disorder.
Dielectric and AC conductivity analyses demonstrated frequency-dependent behavior consistent with Jonscher’s universal power law, highlighting hopping conduction mechanisms. Impedance spectroscopy revealed a single semicircular arc in the Cole-Cole plot, indicating dominant bulk grain contributions to dielectric relaxation. The findings emphasize the interplay between microstructural defects and the optical and electronic properties of MgO nanoparticles, showcasing their potential for applications in optoelectronics, dielectric films, and photocatalysis. The study underscores the importance of defect engineering in optimizing the functional performance of these nanostructures, suggesting future research directions that include integrating MgO nanoparticles into composite materials for enhanced applications.
Methods
In this study, magnesium oxide (MgO) nanoparticles were synthesized using the Sol-gel method. The process began with the addition of 0.03 mol of citric acid to 300 ml of deionized water, followed by vigorous stirring at 1000 RPM for 30 minutes at 80 °C. Subsequently, 0.03 mol of magnesium nitrate hexahydrate, Mg(NO₃)₂·6H₂O, was incorporated into the solution, which was stirred for an additional 3 hours. The pH of the mixture was adjusted to 9 using ammonia solution.
After the reaction, the solution was dried at 200 °C for 12 hours, resulting in a black ash, which was then calcined in a muffle furnace at 750 °C for 4 hours. This calcination temperature was selected based on literature recommendations, as it is above 400 °C to maintain crystallinity while remaining below 900 °C to preserve the nanostructure of the nanoparticles. The final product was a white powder, prepared for subsequent analysis and characterization. A flowchart illustrating the synthesis process is provided in Figure 1.
Discussion
In this section, the authors discuss the structural characterization of synthesized magnesium oxide (MgO) nanoparticles using X-ray diffraction (XRD) techniques, specifically employing the Bragg-Brentano method for data collection. The analysis revealed a high degree of crystallinity, evidenced by a minimal background noise-to-peak intensity ratio and the presence of five distinct peaks corresponding to the cubic crystal structure of MgO. Rietveld refinement was utilized to confirm phase purity and to derive lattice parameters, with results aligning well with established data. The refinement also provided insights into the microstructural characteristics, such as full-width at half maximum (FWHM) values, which are critical for understanding crystallite size and lattice strain.
The authors further explored electron density distribution within the MgO unit cell, employing G-Fourier tools to visualize electron density mapping, which confirmed the face-centered cubic structure. The microstructural analysis indicated that the MgO sample exhibited anisotropic strain, as evidenced by deviations from linearity in Williamson-Hall plots. Various models, including the Uniform Stress Deformation Model (USDM) and Uniform Deformation Energy Density Model (UDEDM), were applied to assess internal stress and strain, revealing complexities in the microstructural conditions that could not be fully captured by simpler models. The study highlights the importance of advanced analytical techniques in elucidating the structural and microstructural properties of MgO nanoparticles, which are essential for optimizing their performance in various applications.