تسجيل الدخول

المـــــواد المتقدمة

نظرة عامة

تؤدي مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية دوراً ريادياً في العديد من المجالات المتعلقة بعلم الموادّ واستراتيجيّاته، وتسعى إلى نقل التّقنيات الحديثة في هذا القطاع وتوطينها في المملكة.

مقدمة

أدركت مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية أهميّة علم الموادّ، وتّطبيقاته الواسعة والواعدة في جميع المجالات الصّناعيّة؛ فبادرت من خلال معهد بحوث علوم الموادّ بالعمل على النّهوض بالبحث والتّطوير في العديد من المجالات المتعلقة بهذا القطاع، وبتجهيز المعامل والبنى التّحتيّة، والتّعاون مع الجهات العلميّة المحليّة والعالميّة المختلفة، وذلك بهدف تطوير تقنيات حديثة تسهم في دعم اقتصاد المملكة وتعزز من مكانتها التنافسية في هذا القطاع.

ويقوم المعهد بدور رياديّ في دعم تقنيّة الموادّ المتقدّمة الّتي تربط بين بنية وتركيب المادّة الدّاخليّ، وبين خواصّها واستخداماتها، وتطوير هذه التقنية، وتنفيذ الأبحاث- العلميّة والتّقنيّة- في ما يتعلّق بالاختبارات غير الائتلافيّة، الّتي تمكنّنا من التّعرّف إلى بنية الموادّ وخصائصها، وتحرّي العيوب الموجودة فيها، وقدرة الموادّ والمنشآت على أداء الخدمات المطلوبة منها، أثناء الخدمة والتّشغيل.

كما يهدف المعهد إلى تنفيذ الأبحاث المتعلّقة بالصّناعات البتروليّة والبتروكيميائيّة الّتي تعتمد على استغلال الموادّ الطّبيعيّة في المملكة، ورصد نتائج عمليّات التّكرير والبتروكيماويّات، وذلك من أجل دعم البنية التّحتيّة الصّناعيّة، وتعزيز الاكتفاء الذّاتيّ- في البحث والتّطوير- لدى المملكة.

وللمعهد- أيضًا- دور رياديّ في تنفيذ بحوث مشتركة، للتّوصل إلى حلول تقنيّة مبتكرة في مجال تقنية البناء والتّشييد، بكفاءة اقتصاديّة تساعد على تلبية الطّلب المحليّ والعالميّ، وفي إجراء البحوث الوطنيّة والتّطبيقية في المجالات التي يمكن أن توظَّف فيها التّقنيات المتناهية الصغر (النانو)، لتطوير القطاعات المختلفة في مجالات الطّاقة، والمياه، والاتّصالات، وغيرها.

كما يسهم المعهد في تطوير قدرات البحث العلميّ في المملكة، في مجال الفيزياء التّطبيقيّة، ويدعم التّعليم فيها، لبناء قاعدة راسخة للتّطبيقات العلميّة والهندسيّة.

المشاريع

تتطلب أجهزة الاستهلاك الحديثة والسيارات الكهربائيّة طاقة كهربائيّة، مما يخلق طلبًا على مجموعة متنوّعة من العناصر بما في ذلك: الليثيوم لبطاريات الليثيوم أيون، واليورانيوم لإنتاج الطاقة النوويّة، والمعادن الأرضيّة النادرة للخلايا الشمسيّة. إنّ توفير هذه العناصر في الوقت الحاضر يأتي من مخزون التعدين الخام في قشرة الأرض، ولكن هذا النهج له العديد من السلبيات: 1) هناك توزيع غير متساوٍ للموارد المعدنيّة بحيث تقع بعض المخزونات في المناطق التي يصعب الوصول إليها 2) استخراج الخام على نطاق واسع له تأثير سلبيّ كبير في البيئة بسبب استخدام الأراضي والتلوّث 3) قد لا تكون مخزونات بعض العناصر النادرة كافية لتوريد الطلبات المتزايدة، وهذه العيوب توفر أسبابًا مهمة لدراسة مصادر بديلة للعناصر الصناعية ذات الصلة.

تحتوي المحيطات على كميّة هائلة من العناصر المذابة (بما في ذلك الليثيوم والذهب والفضة والعناصر الأرضيّة النادرة) ويمكن عدّها مصدرًا بديلًا محتملًا لهذه الموارد المهمة من الناحية الصناعيّة، ومما يؤسف له أنّ تركيز العناصر الأكثر قيمة في مياه البحر منخفض، بحيث يلزم معالجة كميّات كبيرة من المياه من أجل استرداد كميّات كبيرة من هذه العناصر وحصدها. في الوقت الحاضر، يفوق هذا العائق المنافع الاقتصاديّة والبيئيّة الممكنة لحصد العناصر من المحيطات والبحار، ويمكن استخدام الاكتشافات العلميّة الناتجة عن التعاون المشترك بين مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية وجامعة نورث ويستيرن لتطوير مواد جديدة من شأنها أن تمكّن من جمع موارد العناصر القيّمة من المحيطات عن طريق: 1) تكييف الأغشية المضادّة للانسداد، التي يجري تطويرها حاليًّا لتحلية المياه لتصفية عناصر محدّدة انتقائيًّا من مياه البحر 2) تكييف المواد المساميّة التي يجري تطويرها لبطاريات الليثيوم أيون للالتقاط الانتقائي لليثيوم 3) البوليمرات التنسيقيّة ذات النانو مساميّة المستقرة للغاية والتي طورت بالتعاون بين الباحثين في المدينة مع باحثين من جامعة نورث ويستيرن لتوفير منصّة مثاليّة لتطوير المواد لالتقاط مجموعة واسعة من العناصر من مياه البحر وحصدها، وسيكون التركيز على الليثيوم من مياه البحر هو التركيز الأوّل لهذا العمل، لأنّ تكنولوجيا النانو التي يجري تطويرها بالفعل من قبل مركز التميّز المشترك قد تكون مناسبة تمامًا لهذا الهدف.

يهتمّ هذا المشروع بتصنيع المعدّات الخاصّة بفصل (تقشير) طبقات الجرافيت عن بعضها بعضًا (exfoliated graphite)، عند درجات حرارة منخفضة، وبطريقة كيميائيّة اقتصاديّة، وبِطاقة إنتاجيّة تصل إلى 1 كجم بالسّاعة، ويتميّز المنتج المستهدف بالتّقنيّة المقترحة بخصائص ميكانيكيّة، وفيزيائيّة، وكيميائيّة تنافسيّة، أما المنتجات الثّانويّة المصاحبة للتّقنيّة المستهدفة من عمليّات إنتاج الجرافيت المقشّر: هي غاز الهيدروجين وهيدروكسيد الصّوديوم، وجميعها لها قيمة اقتصاديّة اعتباريّة.

يُستخدم هذا المنتج في صناعة الكثير من المواد الهندسيّة: كالمواد المركّبة- المعدنيّة واللّامعدنيّة- الدّاخلة في التّطبيقات الصّناعيّة المختلفة، مثل: التّطبيقات العسكريّة، والفضاء، والطّيران، والطّاقة، والبناء، والتّشييد، وغيرها.

أمّا مراحل المشروع، فهي كالآتي:

مرحلة التّخطيط والتّصميم للمعدّات المستخدمة في فصل طبقات الجرافيت، ومرحلة تصنيع المعدّات، ومرحلة إجراء التّجارب اللّازمة لتحديد العلاقة بين ظروف عمليّات الإنتاج والخواصّ المختلفة للجرافيت المنتج، ومرحلة نقل المعدّات إلى المدينة، ثمّ تركيبها وتشغيلها والتّدرّب عليها، ثم مرحلة إعادة إنتاج المنتج النهائيّ (الجرافيت المقشر exfoliated graphite)، بالخصائص المطلوبة، والطّاقة المحددة.

البوليمر مركّب ذو وزن جزيئي مرتفع مكوّن من وحدات (مونومرات) بنائيّة مكرّرة، ومنتجات البوليمر يمكن أن تكون خفيفة الوزن، وقاسية، ومتينة، ومرنة، وقد تملك خصائص حراريّة، أو كهربائيّة، أو إلكترونيّة (قادرة على توصيل الإلكترونات). نتوقع نموّ صناعة البوليمرات ( تحديدًا في مجال أشباه الموصلات) لتصبح صناعة مهمة في غضون العقد المقبل، خصوصًاً مع الاكتشافات الحديثة والمتواصلة لخصائص البوليمرات الحراريّة والإلكترونيّة.

البوليمرات لديها مجموعة واسعة جدًّا من التطبيقات بسبب تكلفة إنتاجها المنخفضة، ومثاليتها العالية، والقدرة على التشكل. في هذا المشروع نعتزم إنتاج مجموعة واسعة من البوليمرات المختلفة لتطبيقات مختلفة هي: تطوير محفز ما بعد ميتالوسين لإنتاج بوليمرات مثالية. إنتاج بوليمرات متقدمة لتطبيقات الاستشعار. تطوير بوليمرات تحوي أصباغ TiO2. أكسدة الألكانات باستخدام المعادن النبيلة لإنتاج بوليمرات ذات قيمة اقتصاديّة عالية. إنتاج الجرافين العالي الجودة لتطبيقات تخزين الطاقة وإعادة تدويره. تطوير بوليمرات عضوية للتطبيقات الإلكترونيّة الضوئيّة المتكاملة والمرنة. سيكون التركيز على تطوير بوليمرات ذكية وإنتاجها لتكون قادرة على ربط مجالات ماديّة مختلفة، اعتمادًا على الفهم الدقيق لخصائصها: الفيزيائيّة والميكانيكيّة والحراريّة والكهربائيّة والإلكترونيّة.

تعتزم مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتّقنيّة إنشاء مشروع لإنتاج السّيليكون، بِطاقة إنتاجيّة تقدّر بحوالي 800 طن سنويًّا، ويعدُّ هذا المشروع من المشروعات الاستراتيجيّة المهمّة، الّتي تنفّذ بالتّعاون مع شركة التّعدين العربيّة السّعوديّة (معادن)، الموجودة في مدينة رأس الخير، للاستفادة من مخلّفات مصانع الفوسفات المملوكة لشركة المعادن، الّتي تمثّل مشكلة للشّركة وتحويلها إلى سيليكون عالي النّقاوة، ثمّ تحويله إلى رقائق تستخدم في تصنيع رقائق الخلايا الشّمسيّة.

يتألف المشروع المتوقّع الانتهاء من إنشائه بعد أربع سنوات، من مرحلتين أساسيّتين:

  • المرحلة الأولى: لإنتاج السّيليكون النّقي من مخلفات الفوسفات.
  • المرحلة الثّانية: لإنتاج رقائق السيليكون كافية لإنتاج 120 ميجاواط من الطاقة الكهربائية.

كما يشمل المشروع- أيضًا- إنشاء معمل مصغّر في مدينة الملك عبد العزيز، لإنتاج السّيليكون بطاقة إنتاجيّة تصل إلى 10 طن في السّنة، بهدف تدريب كوادر المدينة على تشغيل المصنع، والتّعامل الأمثل مع المشكلات الّتي قد تطرأ في أثناء العمل، كذلك إجراء التّجارب العلميّة لتطوير التّقنيّة، أو اختبار بدائل أخرى أكثر جدوى، وأقل كلفة لإنتاج السّيليكون.

يهدف المشروع إلى الاستفادة من نقل تقنية شركة SRI في استخلاص السيليكون من SiF4 آو SiF4-Na واستخدامه في تصنيع الخلايا الشمسية إلى المدينة وتطويرها عن طريق باحثين من المركز الوطني للتقنيات المتناهية الصغر. ينقسم البرنامج إلى مرحلتين رئيستين كلّ مرحلة على حدة لها خطتها وميزانيتها، فالأولى لنقل التقنية وإجراء التجارب المخبرية، والثانية للتصنيع. سوف تشرح شركة SRI في المرحلة الأولى مراحل تصنيع الخلايا الشمسيّة، حيث تتضمّن شرحًا مفصّلًا من الناحية الكيميائيّة، وكذلك من ناحية المواد المستخدمة في التصنيع، والمفاعل المستخدم في إجراء التفاعل الكيميائي، وتدريب باحثي المدينة على تقنية حقن المفاعل بمادّة الصوديوم، وأهمية التحكّم بالضغط ودرجة الحرارة خلال هذه العمليّة، حيث يعدّ الهدف الرئيس من هذا المشروع هو نقل هذه التقنية بشكل متقن إلى المدينة وتطبيقها بشكل فعّال للاستفادة منها.

بعد الانتهاء من المرحلة الأولى، سيضع فريق العمل من الطرفين خطة زمنيّة وأهدافًا، وكذلك الميزانية التقديرية للمرحلة الثانية المتضمنة تصميم مصنع تجريبي (Pilot Plant) والتصنيع الذي يشمل محطة تخزين الصوديوم والمفاعل وعمليّة فصل المواد الناتجة من التفاعل.

يركز المشروع على توصيف أشباه الموصلات المركّبة مثل GaAs على ركائز السيليكون، والهدف من هذا المشروع هو تحقيق جودة عالية بلورية (أحادية البلورة على السيليكون) مما يؤدّي إلى مصادر عالية الأداء وفعّالة من حيث التكلفة مثل: الثنائيّات الباعثة للضوء، وأشعة الليزر التي تعمل في نطاق موجات الاتصالات.

المنهجيّة: للتغلّب على هذه المشكلات، طوّرنا مخطط نمو نموذجيًّا INGaAs/GaAs ومن ثمّ فإنّ عيب الكثافات هو بسبب طاقة سلالة محدودة واضطرابات في المجالات المضادة للتطور بحيث تنخفض، لذلك نحسّن الخصائص البصريّة، عن طريق دمج الجودة العالية InGaAs/GaAs.

أسفر ذلك عن نجاح اللّيزر العامل في مجموعة من موجات الاتصالات المهمة ١.٣ ميكرون و ١.٥٥ ميكرون، ولقد أثبتنا نجاح ذلك بجودة عالية، خالية من العيوب باستخدام طبقة عازلة رقيقة قياسيّة.

هناك طريقة أخرى وهي استخدام فان دير فالس لترسب GaAs على السيليكون باستخدام مادة ثنائيّة الأبعاد.

أُنتج GaAS بجودة عالية خالية من العيوب عن طريق التنظير الشعاعي الجزيئي على ركائز ثاني آكسيد السيليكون بواسطه تقنية مناسبة للحصول على GaAs واحد بلوي بعيوب أقل بشكل ملحوظ على السيليكون.

الطاقة المتجددة خصوصًا الخلايا الشمسيّة هي المستقبل الذي يمكن أن يكون بديلًا للنفط أو مكمّلًا له. يتمثل التحدّي الرئيس لإنتاج الخلايا الشمسيّة في العثور على مواد جديدة قادرة على تخفيض التكاليف لتكون قادرة على المنافسة مع الطاقة التقليديّة. الهدف هو تصنيع خلايا شمسيّة باستخدام مادة البيرفوسكايت (perovskite).هذا النوع من الخلايا يعوّل عليه كثيرًا لما له من خصائص عالية في الامتصاص وانخفاض تكلفته.

في هذا المشروع تُطوّر خلايا شمسية ذات مواصفات عالية الجودة بكفاءة تتجاوز 20٪. تُدرس خواص المواد بشكل مفصل بما في ذلك الخواص الكهربائيّة والضوئية والكيمائيّة، وذلك من أجل فهم عمل هذه الخلايا، ومن ثمّ العثور على أفضل الحلول لزيادة الكفاءة.

من أهم مواصفات هذا النوع من الخلايا هو التأكّد من مدي فعاليتها مع الوقت، وذلك لضمان عملها في الظروف الطبيعية، وهذا العمل تم تحقيقه عن طريق إضافة مواد غير عضويّة للمواد العضويّة المكوّنة لمادة البيرفوسكايت.

من ضمن أهداف المشروع تطوير خلايا شمسية خالية من مادة الرصاص وبالكفاءة نفسها، لتكون هذه الخلايا صديقة للبيئة.

يتمحور هذا المشروع حول توطين تقنيّة إنتاج أنابيب الكربون (Carbon Nanotube Technology)، وذلك بِطاقة إنتاجيّة تصل إلى 1 كجم الساعةً بمواصفات ميكانيكيّة وفيزيائيّة عالية جداً. يشتمل المشروع على عدد من المراحل المهمة منها على سبيل المثال: مرحلة التّخطيط والتّصميم للمشروع، ووضع التّفاصيل الهندسيّة اللّازمة لجميع مراحل التّصنيع المختلفة، ومرحلة تصميم المعدّات المستخدمة في عمليّات إنتاج الأنابيب الكربونيّة المتناهية الصّغر، بالمواصفات الميكانيكيّة والفيزيائيّة المطلوبة، ومرحلة تصنيع المعدّات ونقلها إلى مقرّ مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتّقنيّة، ومرحلة تركيب المعدّات، والمرحلة النّهائيّة: مرحلة إنتاج الأنابيب الكربونيّة المتناهية الصغر، بالمواصفات والطّاقة الإنتاجيّة المطلوبة؛ حيث تكمن أهمية هذا المشروع في إنتاج أنابيب الكربون، وتوطينه في المملكة.

تجدر الإشارة إلى أنّ المنتج النّهائيّ يستخدم في العديد من التّطبيقات المتعلقة باستخدام الموادّ المركّبة (المعدنيّة Metal Matrix Composites، واللّامعدنية Ceramic/Polymer Matrix Composites)، وصناعة موادّ البناء، ومن هذه التّطبيقات: صناعة الطّاقة، والبتروكيماويّات، والصناعات العسكريّة، وتطبيقات الفضاء والطيران، وتطبيقات البناء والتّشييد، وغيرها.

تعمل المدينة بالتعاون مع شركة كلارينت العالميّة (Clariant Inter. Ltd)، على صناعة توطين الألياف الكربونيّة- باستخدام الأكريلونيترايل (acrylonitrile) مادة أوليّة- بِطاقة إنتاجيّة تصل إلى 1 كجم يوميًّا- في المرحلة الأولى- وبمواصفات ميكانيكيّة وفيزيائيّة عالية جدًّاً.

تحقق المرحلة الأولى من المشروع الآتي: التّخطيط والتّصميم ووضع التّفاصيل الهندسيّة اللّازمة لمراحل التّصنيع المختلفة، تصميم المعدّات اللّازمة وتصنيعها، إنتاج ألياف كربونيّة (بقطر 7 مايكرومتر وبقوة شد 2.7 جيجاباسكال (GPa)ومعامل ينق 270 جيجاباسكال (GPa).

في المرحلة الثّانية من المشروع: تعمل المدينة مع الشّريك الأجنبيّ- في موقع المدينة في الرّياض- على تركيب جميع معدّات إنتاج الألياف الكربونيّة وتشغيلها، وإنتاج الألياف الكربونيّة وتطويرها، بحيث تتوافق مع التّطبيقات الحسّاسة (أي بقوة شدّ لا تقلّ عن 4.2 جيجاباسكال، ومعامل ينق يصل إلى 220 جيجاباسكال)، وإعداد المخطّطات الفنيّة والهندسيّة اللّازمة لإنتاج ألياف كربونيّة، بطاقة إنتاجيّة تصل إلى 25 طنًّا سنويًّا، وبمواصفات ميكانيكيّة عالية جدًّا.

تجدر الإشارة إلى أنّ الألياف الكربونيّة تُستخدم في كثير من الصّناعات المتعلّقة بتطبيقات الطّاقة البتروكيميائيّة، والتّطبيقات العسكريّة، والفضاء، والطّيران، وغيرها.

يتمحور هذا المشروع حول إنتاج مُركّبات معدنيّة مدعومة بموادّ خزفيّة متناهية الصّغر، ذات خصائص ميكانيكيّة وكيميائيّة عالية، وتطويرها، وتوطينها مع الاحتفاظ بوزنها الأصلي.

من السبائك المعدنيّة المستَهدف تحسين خواصّها الميكانيكية: سبائك الألمنيوم ذات التّطبيقات الحسّاسة، المستخدمة في تدريع العربات الحربيّة والبوارج البحريّة (Al5083)، وسبائك التّيتانيوم (Ti-6-4).

يهدف المشروع إلى استخدام المواد الداعمة الآتية: مساحيق (حبيبات) أكسيد الألمنيوم (Al2O3)، والأنابيب الكربونيّة (CNT)، وكربيدات السيّليكون (SiC)، وكربيدات التّيتانيوم (TiC).

التقنيّة المستخدمة لإنتاج المُركّبات المعدنيّة بموادّ خزفيّة وتطويرها: هي تقنيّة بودرة المساحيق (Powder Metallurgy)، والمركّبات المعدنيّة النّاتجة: هي ألواح بمقاسات حوالي 30x30x5 cm3.

تجدر الإشارة إلى أن الخواصّ الميكانيكيّة لهذه المركّبات، تعتمد- بشكل رئيس- على نوع الموادّ المتناهية الصّغر، وقياسها، وآليّة انتشارها داخل المركّب المعدنيّ.

يهدف المشروع إلى تطوير صناعة الموادّ المركّبة المصنوعة من البوليمرات المدعومة بالألياف الكربونيّة، والألياف الزّجاجيّة، ذات المواصفات الميكانيكيّة العالية، الّتي تتناسب مع التّطبيقات الاستراتيجيّة والحسّاسة، مثل: التّطبيقات العسكريّة، والطّاقة، والفضاء، والطّيران، واشتراطاتها الهندسيّة، وتصنيع أجزاء من الطّائرات، مثل: دعائم هيكل الطّائرة، والجدار الدّاخلي للطّائرة، وتصنيع طائرة الـ (Airtrike) الشّراعية واختبار طيرانها.

تُنتج في هذا المشروع موادّ مركّبة مصنوعة من البوليمرات المدعومة بالألياف الكربونيّة والألياف الزّجاجيّة المطوّرة.

الجدير بالذّكر أنّ الجدران الدّاخليّة للطّائرات النّفاثة والطّائرات الشّراعيّة- في الوقت الحالي- تصنع- غالبًاً- من المركّبات المدعومة بالألياف الزّجاجيّة.

يشمل هذا المشروع- بشكل عامّ- المراحل الآتية: مرحلة اختيار البوليمر ، ومرحلة اختيار الألياف الكربونيّة والألياف الزّجاجيّة، ومرحلة تعديل خصائص البوليمر وتحسين خاصيّة التصاق الألياف الكربونيّة بالبوليمر الحاضن، ومرحلة ضبط متغيّرات القطع المستخدمة وفق الخصائص المحدّدة، وإجراء الاختبارات اللّازمة للتّأكد من مطابقتها للمواصفات المطلوبة، ثم إنتاج المنتج النّهائيّ.

تعدّ المواد التي تتحمل حرارة عالية ذات أهميّة بالغة في العديد من التطبيقات، لعلّ من أبرزها استعمالها في المركبات الفضائيّة، وكجدران عازلة للحرارة في مصانع صهر الحديد والمعادن والمفاعلات النوويّة. هذه المواد قادرة على تحمّل درجات حرارة تتفاوت بين 1000 إلى 3000 درجة مئويّة، كما تتطلّب ثباتًا كيميائيًّا وميكانيكيًّا وحراريًّا عاليًا، ونظرًا لما تمثله هذه المواد من أهميّة بالغة في تطبيقاتها، والطلب المتزايد عليها، فإنّ هناك نشاطًا بحثيًّا وتطويريًّا عاليًا من أجل تحضيرها بتقنيات وأساليب مختلفة.

يهدف هذا المشروع إلى تحضير مواد ذات ثبات عالٍ عند درجات حرارة مرتفعة وتثبيتها على مواد مختلفة مثل: الجرافيت Graphite وشرائح السيليكون Silicon wafer. هذه المواد ستتميّز بقدرتها على تحمّل درجات حرارة عالية دون تأثّر خواصّها الكيميائيّة والميكانيكيّة والحراريّة، ومن ثم ستحافظ على شكلها (أبعادها) ولن يحدث لها تأكسد أو تآكل. للوصول إلى هذا الهدف، يتم استخدام أحدث الطرق المخبريّة من أجل تحضير هذه المواد منها Thermal Spray Coating و Photolithography، واختبار خصائصها الحراريّة والكيميائيّة. كما يجري العمل على مواد مختلفة مثل البوليمرات والمعادن والسيراميك لتحقيق أفضل النتائج.

يهدف المشروع إلى تصميم وتحضير أنواع مختلفة من المركّبات المساميّة العضو معدنيّة لاستخدامها في تطبيقات صناعيّة متعدّدة كتخزين الطاقة النظيفة وإنتاجها، وذلك بسبب العديد من السمات المميزة مقارنة بالمواد التقليديّة كالمساحات السطحيّة العالية جدًّا ومرونة هيكليّة مع ثبات ميكانيكي وحراري عاليين مما يجعل لهذه المواد تطبيقات كثيرة من أهمها تخزين أنواع مختلفة من الغازات، وذلك من خلال قدرتها العالية لربط جزيئات الغازات المختلفة داخل البلورات المسامية. ستُستخدم المواد المحضرة بشكل أساسي في تخزين الطاقة، وإنتاج الطاقة النظيفة، والمساعدة في التقاط الغازات المسبّبة للاحتباس الحراري وتخزينها.

كما يشمل المشروع دراسة المسائل والتطبيقات الأساسية ذات الصلة بالبلورات النانوية وفهمها بخاصّة تحضير بلورات نانوية ذات جودة عالية لاستخدامها وفي عدة مجالات تطبيقيّة، حيث تعتمد خواصها الفيزيائيّة والكيميائيّة والكهربائيّة والديناميكيّة الحراريّة على الحجم والشكل البلوري، إضافة إلى الدراسات الأساسيّة لتحضير البلورات النانوية، كما يتناول أيضًا تطوير طرق تحضير آلي ودقيق لدراسة جميع الخواص الكيميائيّة والفيزيائيّة للبلورات النانويّة، وقد وجد بأنّ هناك تناغمًا في الخصائص البصريّة والإلكترونيّة والميكانيكيّة والكيميائيّة للجزيئات النانويّة مما يجعلها مناسبة لمعالجة عدد من المشكلات المتعلقة بتحويل الطاقة.

يهدف هذا المشروع إلى تطوير نظام حقن أيوني يعمل بتقنية فصل كتل الأيونات بدقّة عالية، ثمّ تجميعها على شكل حزم وتبريدها (تخفيض سرعتها) قبل حقنها إلى حلقة التخزين الكهروستاتيكيّة المنخفضة الطاقة. يتألف النظام من مصدر أيونات لإنتاج الأيونات المطلوب دراستها التي تمرّ بعد ذلك عبر رباعي أقطاب يمكن بواسطته اختيار كتلة محدّدة وتمريرها اعتمادًا على الجهد الكهربائي المطبق على الأقطاب. بعد ذلك تعبر الأيونات على شكل حزم إلى سداسي أقطاب حيث يتم حصرها وتجميعها وتبريدها ليتم بعد ذلك حقنها والتحكم بعددها عبر بوابات كهروستاتيكيّة إلى حلقة التخزين الكهروستاتيكي لإجراء التجارب عليها.

هناك العديد من التقنيات المتعددة للتصوير باستخدام الأشعة السينية، لكن في الحقيقة يوجد العديد من المحدوديات في استخدام مثل هذه التقنيات. فعلى سبيل المثال أن الحصول على تصوير ذي أبعاد واضحة ودقيقة يتطلب استخدام معدل تدفّق عاليًا من هذه الأشعة. في المقابل تعدّ التقنية الميكرونية التي تستخدم الكواشف الغازية التي تعتمد على تقنية الجيم إحدى أهم البدائل المتوقعة للاستخدام في التصوير الطبي بدلًا من الأشعة السينيّة، وذلك لأنّ تقنية التصوير باستخدام الجيم تتميز بالدقّة العالية والوضوح. يكمن الهدف الأساسي من هذا البحث في تطوير نظام تصوير باستخدام تقنية الجيم لاستخدامه في تطبيقات التصوير الطبي.

المواد فائقة التوصيل هي مواد ذات مقاومة كهربائيّة منعدمة عند درجات حرارة منخفضة، لديها القدرة على توليد مجال مغناطيسي عالٍ متّسق يفوق المجال المغناطيسي المتولّد من الأقطاب المغناطيسيّة المنتظمة.

تمتد تطبيقات تلك المواد إلى عدد من التقنيات الهندسيّة المستدامة التي يمكن تطبيقها في المملكة، ومن أهمها تقليل تكلفة ربط المولّدات الكهربائيّة بنظام ميكانيكي، حيث يمكن الاستغناء عن بعض الأجزاء الميكانيكيّة المستخدمة حاليًّا بالاستفادة من خصائص المواد الفائقة التوصيل.

في هذا المشروع ستُستخدم تقنية النمو بالترشيح بدلًا من الطريقة التقليديّة لتحضير المواد الفائقة التوصيل. تتميز طريقة النمو بالترشيح بالتحكم بالشكل النهائي للمواد الفائقة التوصيل. كما ستقلل الطريقة المستخدمة من المشكلات التقليديّة مثل: المسامسيّة العالية، ونشوء التصدّعات في التراكيب الداخليّة للمنتج النهائي. من المتوقّع أن ينتج من هذا المشروع نوعان من المواد الفائقة التوصيل هما: اليبكو و إم جي بي 2. كلا المنتجين لهما مميزات مختلفة مثل: الوزن، قوة الحبس المغناطيسي، القدرة على التشكل. كذلك يتضمّن هذا المشروع جزءًا آخر وهو عبارة عن تصميم جهاز فصل مغناطيسي سوف يُستخدم في تصميمه وبنائه المواد المغناطيسيّة الفائقة التوصيل التي أُنتجت في أثناء سير المشروع.

في هذا البحث تتضافر الطرق التجريبيّة والطرق النظريّة للتوصل إلى أهداف محددة في البحث والتقصي. أضحت الحسّاسات المعتمدة على الغاز من أهداف البحوث عالميًّا ومحليًّا نظرًا لاتساع تطبيقاتها في مجالات الصناعة والبيئة والصحة. نسعى في هذا العمل إلى تصنيع وتطوير حساسات غازية تعتمد على مبدأ حقول اللف المغزلي المستخدمة في الترانزستورات. نظرًا لتطويع اللّف المغزلي في هذه المواد فإنّ التطبيقات المتوقعة من الممكن أن تتسع لتشمل الحواسيب والمعلومات الكمية. الجزء الآخر من البحث يدرس خواص المواد باستخدام النمذجة والمحاكاة. نمذجة المواد باستخدام المبادئ الأساسيّة لميكانيكا الكمّ ونظريّة دالة الكثافة أصبح ممكنًا بسبب التقدم السريع في مجال الحواسيب والمحاكاة. يركّز التقصّي على دراسة خصائص المواد وتحسينها، وتهدف الاستراتيجيّة إلى توسيع نطاق البحث في المواد للتطبيقات المختلفة مثل: الخلايا الشمسية والمعادن والمواد النانويّة. يمكن دراسة خصائص هذه المواد وتطويرها بشكل أكثر عمقًا من قبل. تضمن الدراسات الأساسيّة دقّة الوصف، وتطابق النتائج مع الخواص الفعليّة مما يوفّر على الباحثين كثيرًا من الجهد والتكلفة المادية في التطوير.

يهدف المشروع إلى تحضير حوافز كهروضوئيّة وتطويرها من الأقطاب أشباه الموصلة لفصل الماء عن طريق الأشعة الشمسيّة في الطيف المرئي، ثمّ تركيب تلك الأقطاب بخليّة فصل كهروكيميائيّة لإنتاج غاز الهيدروجين كوقود نقيّ عن طريق مصدر طاقة متجدّد. يُعنى القسم الأول من المشروع بتطوير كفاءة فصل الماء بواسطة حوافز ضوئيّة مكوّنة من أنابيب ثاني أكسيد التيتانيوم المدعّمة بذرّات الذهب النانويّة في مجال أشعة الضوء المرئية، حيث من المتوقّع تحسّن كفاءة الفصل على سطح الحافز بشكل ملحوظ، وتمتاز هذه الطريقة في حال الوصول إلى كفاءة تتجاوز 10% بسهولة تحويلها من خليّة فصل ذات مستوى مخبري إلى مستوى صناعي أو تجاري. يُعنى القسم الثاني بتصنيع أقطاب كهروكيميائيّة مكوّنة من أنابيب متناهية الصّغر مكوّنة من ثاني أكسيد التيتانيوم على سطوح موصلة بواسطة طريقة البناء من الأسفل، حيث يعمل الفريق البحثي على تحضير تلك الأقطاب بواسطة الترسيب الكهربائي والفيزيائي. تُختبر كفاءة الحافز الضوئي بواسطة القياسات الكهروكيميائية مع وجود مصدر للضوء المرئي. تتميّز الأقطاب المحضرة بواسطة هذه الطريقة بالتحكم الدقيق في تراكيب الحافز وسهولة تتبع انتقال الشحنات في أثناء التفاعل الكهروكيميائي لفصل الهيدروجين والأكسجين، أمّا القسم الثالث فيعنى بتصميم خلية الفصل، وبالجوانب الهندسية والتقنية لها، كذلك بإمكانية ربط تلك الخلية بأنظمة الطاقة الأخرى ومصادرها.

الهدف من هذا المشروع هو صناعة الليزر الكمّي على يد مهندسين سعوديين باستخدام التجهيزات المتوفرة بالمدينة قدر الامكان، لذا نتطلع إلى تمكين مهندسين سعوديين من معرفة كيفيّة استخدام مفاعلات ال ام بي اي لترسيب ذرّات المواد من الصفر حتى الوصول إلى تركيب متعدد الطبقات باستخدام بودرة أشباه الموصلات عالية النقاوة وصولًا إلى صناعة رقائق اللّيزر الإلكترونية خاصة اللّيزر الكمّي في هذه المرحلة. المشروع سوف يتضمن كيفيّة التخطيط للتركيب الذرّي والطول الموجي المستهدف، ثمّ عمليات اختيار المواد الأوليّة والنسب المطلوبة، ثم الترسيب والمعالجة حتى مرحلة انطلاق اللّيزر ورؤيته بالعين المجرّدة عند درجة حرارة الغرفة، على أن يكون المهندسون السعوديون هم القادة والعنصر الفاعل في هذا المشروع. لقد استطاع المهندسون السعوديون تصنيع العينات اللّيزريّة وإنتاجها ومعالجتها في معامل جامعة نوتنجهام. كذلك يجري العمل حاليًّا على تصنيع الدوائر الإلكترونية الخاصة بالأجهزة اللّيزرية وإنتاجها في معامل المدينة، حيث انتهت التصاميم الإلكترونية الأوّليّة، ويجري التنسيق للبدء بطباعة الألواح الإلكترونيّة، وسوف توضع موضع الاختبار فور الانتهاء من تجهيزها.