معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة نورث إيسترن تتعاونان لتطوير مواد جديدة مقاومة للصدمات تحاكي بنية الأوراق وأجنحة اليعسوب

تعتمد التقدم في مختلف المجالات على أفضل جودة من المواد. مؤخرًا، صمم الباحثون نوعًا جديدًا من "المواد الفائقة الغنية بالقياس"، من خلال إدخال فوضى خاضعة للسيطرة مستوحاة من الشبكات الطبيعية، مثل الأوراق وأجنحة اليعسوب. قضى المهندسون عقودًا في السعي نحو الكمال الرياضي، مصممين "مواد فائقة" مصنعة تحاكي نفس الوحدات الأساسية المجهرية لإنشاء هياكل قوية من الشمع والنسيج. ومع ذلك، أثبتت أحدث تعاون بين معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) وجامعة نورث إيسترن أن القليل من الفوضى في التصميم يمكن أن يكون أكثر فعالية. أثبتت الاختبارات الفيزيائية أن هذه المواد غير المنتظمة تقدم أداءً أفضل في مقاومة الصدمات، وتوفر صلابة قابلة للتعديل، وتحمي الأجسام الهشة الداخلية من الأضرار.

تتطلع هذه التقنية إلى دفع تطوير خوذات رياضية أكثر أمانًا وسترات واقية من الرصاص خفيفة الوزن، وقد تحقق أيضًا تحكمًا عالي الدقة في الموجات الصوتية والاهتزازات من خلال عدسات صوتية دقيقة.

تصميم المواد الفائقة الغنية بالقياس

أدخل البحث "المواد الفائقة الغنية بالقياس". تتخلى هذه الهياكل الاصطناعية عن الشبكات المتجانسة، لتحاكي الشبكات الفوضوية الفيزيائية مثل الأوراق، والروابط العصبية، وحتى الإنترنت. تحتوي المواد الفائقة المتجانسة على نقطة ضعف: عندما يحدث تشقق أو اختراق في وحدة واحدة من الشبكة المتكررة، تتبعها الوحدات المتطابقة المحيطة على الفور، مما يؤدي إلى انهيار سلسلة. يأمل الأستاذ المساعد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كارلوس بورتلا وفريقه في قطع هذه الفشل المحلي، لذا تعاونوا مع عالم الفيزياء في جامعة نورث إيسترن ألبرت-لازلو باراباسي، الذي يُعتبر رائدًا في علم الشبكات.

كرّس باراباسي مسيرته المهنية لرسم الشبكات الخفية من الروابط عبر وسائل التواصل الاجتماعي إلى الأسواق المالية، لمراقبة كيفية مقاومة هذه الشبكات للانهيار. قام الباحثون بتحويل هذه القواعد الرياضية المجردة إلى مواد فيزيائية ملموسة.

كتب الفريق خوارزمية تُنتج مخططات افتراضية للمواد دون استخدام أي أنماط متكررة. تختار هذه الخوارزمية نقطة عشوائية في الفضاء، وترسم خطًا عبر المنطقة بأكملها. كما أوضح البيان الصحفي، ثم تختار نقطة عشوائية ثانية وترسم خطًا، وتتوقف عند ملامسة الخط الأول أو الحافة الخارجية. تتكرر هذه العملية آلاف المرات، مما يخلق هيكلًا كثيفًا يشبه الشبكة مع دعائم متقاطعة بأحجام وسمك متنوعة. طور الفريق خوارزمية تُنتج افتراضيًا شبكة من الدعائم المادية المقيدة. هنا، تشكل شبكة الدعائم شعار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

طرق تعديل صلابة المواد

يمكن للعلماء تخصيص صلابة المواد عن طريق تعديل اثنين من المعلمات في الخوارزمية: سمك الخطوط الأولية وسرعة تلاشي الخطوط اللاحقة. بعد محاكاة هذه التغييرات، قام الباحثون بطباعة عينات من البوليمر بحجم بطاقة الائتمان باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، تحتوي العينات على دعائم متصلة تتراوح من الميكرونات إلى السنتيمترات. بالإضافة إلى ذلك، أكدت الاختبارات الفيزيائية أن هذه الشبكات الفوضوية تتفوق في جميع الجوانب على المواد المنتظمة التقليدية. يمكن للتصميم الغني بالقياس أن يمتص الصدمات الشديدة المفاجئة دون تشوه، ويوفر صلابة قابلة للتعديل على نطاق واسع، ويعمل على تخفيف الأجسام الدقيقة المدفونة داخله. "هذه طريقة تفكير جديدة تمامًا بالنسبة للمواد الفائقة"، كما قال بورتلا.

“فتح تصميم شبكة هذه المواد لنا مجالًا للتفكير بحرية في هياكل ميكروية جديدة ومزايا ميكانيكية، وهو ما لم يكن ممكنًا سابقًا.” في التطبيقات العملية، يمكن للمصنعين بسرعة الاستفادة من هذه الخوارزمية لطباعة الجيل التالي من خوذات الرياضة، والسترات الواقية من الرصاص الخفيفة، وعدسات صوتية دقيقة قادرة على التحكم في الموجات الصوتية والاهتزازات بشكل غير مسبوق. تم نشر نتائج البحث في مجلة Nature.

أثر تصميم المواد الجديدة على معدات السلامة

يظهر تطوير "المواد الفائقة الغنية بالقياس" كيف يمكن أن تتحول الهياكل المستوحاة من الطبيعة إلى تطبيقات عملية، خاصة في معدات السلامة مثل خوذات الرياضة والسترات الواقية من الرصاص. تتمتع هذه المواد بأداء ممتاز في مقاومة الصدمات، مما يمكنها من حماية الأجسام الهشة الداخلية بشكل فعال، مما يمثل أهمية كبيرة في تعزيز أمان المنتجات. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر نجاح هذه الدراسة أن التعاون بين الرياضيات والفيزياء يمكن أن يخلق تصميمات مواد غير مسبوقة، مما يوفر أفكارًا جديدة لتطوير التكنولوجيا في المستقبل.