زيرودور (Zerodur): المادة الثورية في عالم البصريات الدقيقة

يُعد زيرودور (Zerodur) نوعاً من السيراميك الزجاجي المكون من ليثيوم-ألومينوسيليكات، والذي تقوم بتصنيعه شركة شوت إيه جي (Schott AG). يتميز هذا المادة بمعامل تمدد حراري يقترب من الصفر، مما يجعله الخيار الأمثل للتطبيقات التي تتطلب دقة متناهية، مثل بصريات التلسكوبات، وآلات الليثوغرافيا الدقيقة، وأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي.

عملية التصنيع

يتم إنتاج زيرودور عبر عملية مكونة من خطوتين أساسيتين: الصهر والسيراميك، وقد تستغرق كل خطوة عدة أشهر اعتماداً على حجم القطع المنتجة.

1. مرحلة الصهر

يتم صهر المواد الخام، والتي تشمل المكونات الرئيسية من أكسيد الليثيوم (Li2O)، والألومينا (Al2O3)، والسيليكا (SiO2)، في درجات حرارة عالية تصل إلى حوالي 1600 درجة مئوية. بعد ذلك، يتم صب المادة في قوالب وتبريدها بشكل محكوم (عملية التلدين) لتخفيف الإجهادات الداخلية التي تنشأ أثناء التشكيل.

2. مرحلة السيراميك (التبلور)

تخضع المادة لعملية تبلور حجمي محكوم، مما يؤدي إلى تكوين بلورات نانوية من الكوارتز يتراوح حجمها بين 30 إلى 50 نانومتر. تعمل هذه البلورات ذات معامل التمدد الحراري السلبي على تعويض التمدد الحراري الإيجابي للمصفوفة الزجاجية المتبقية، مما يمنح زيرودور خاصية التمدد الحراري شبه المعدوم.

التطبيقات الرئيسية

بفضل خصائصه الفريدة، يدخل زيرودور في العديد من المجالات الحساسة:

• علم الفلك والفضاء: يُستخدم كركائز للمرايا في التلسكوبات العملاقة مثل تلسكوب هوبي-إيبرلي، وتلسكوبات كيك (Keck I و II)، والتلسكوب الكبير في جزر الكناري، والتلسكوب الكبير جداً (ELT) بقطر 39 متراً. كما استُخدم في المرآة الأساسية لتلسكوب SOFIA المحمول جواً.
• الأقمار الصناعية: استُخدم في أجهزة التصوير في أقمار Meteosat لمراقبة الأرض، وفي المنصة البصرية لمهمة LISA Pathfinder.
• الليثوغرافيا الدقيقة: يُستخدم في آلات مسح وتحديد مواقع الرقائق الإلكترونية لضمان دقة وتكرار متناهيين في وضع الرقائق، وكذلك في البصريات الانكسارية للتصوير الضوئي.
• أنظمة القياس بالقصور الذاتي: يُستخدم في جيروسكوبات الليزر الحلقية لضمان استقرار القياسات.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية

يتكون زيرودور من مكونات غير متبلورة (زجاجية) ومكونات بلورية، وتتلخص أهم خصائصه فيما يلي:

بالإضافة إلى ذلك، يتميز زيرودور بتجانس ثلاثي الأبعاد عالٍ، وصلابة مشابهة لزجاج البوروسيليكات، وقدرة عالية على الارتباط بالطلاءات، ونفاذية منخفضة للهيليوم.

تاريخ التطوير

بدأت شركة شوت تطوير السيراميك الزجاجي في الستينيات بقيادة يورغن بيتزولدت استجابةً للطلب على مواد ذات تمدد حراري منخفض للتلسكوبات. وفي عام 1966، طلب هانز إلساسر، المدير المؤسس لمعهد ماكس بلانك لعلم الفلك (MPIA)، إنتاج سبائك كبيرة تصل إلى 4 أمتار. وبحلول عام 1975، تم تسليم أول مرآة بقطر 3.6 متر، والتي دخلت الخدمة في عام 1984 في مرصد كالار ألتو في إسبانيا، مما فتح الباب لطلبات واسعة النطاق لتصنيع مرايا التلسكوبات العملاقة.