نوع جديد من الأغشية الرقيقة يجمع بين صلابة استثنائية وموصلية حرارية منخفضة جدًا، ويفتح آفاقًا واسعة للتطبيقات

صمّم باحثون في جامعة ولاية كارولاينا الشمالية نوعًا جديدًا من الأغشية الرقيقة غير المسامية التي تجمع بين صلابة استثنائية وموصلية حرارية منخفضة للغاية، مما يتغلب على التناقض الطويل الأمد الذي يجعل المواد الصلبة عادةً موصلًا جيدًا للحرارة. تصل موصلية هذا الغشاء عند درجة حرارة الغرفة إلى نحو 0.04 W m⁻¹ K⁻¹، وهو ما يجعله أكثر كفاءة بخمس مرات في العزل الحراري مقارنة بالسيليكون القياسي، في الوقت الذي تصل فيه صلابته إلى 10,000 مرة. وقال Dali Sun، أستاذ الفيزياء في جامعة ولاية كارولاينا الشمالية: «إنّ للمواد الصلبة بوصفها عوازل حرارية متميزة إمكانات كبيرة في طيف واسع من التطبيقات، بدءًا من أواني الطبخ ووصولًا إلى الأجهزة الإلكترونية وركوب الفضاء.»

وأضاف: «غير أنّ هذا يمثّل تحديًا كبيرًا، إذ إنّ المواد الصلبة عادةً ما تكون موصلًا جيدًا للحرارة، في حين تُعدّ المواد غير الصلبة عوازل حرارية جيدة. لقد ابتكرنا مادة صلبة جدًا وفعّالة للغاية في العزل الحراري، بما يتجاوز أي مادة طبيعية.»

كسر القواعد التقليدية للمواد

طالما ربطت علوم المواد بين المتانة البنيوية والموصلية الحرارية: فالمواد الصلبة تنقل الحرارة بسرعة، في حين تحتجزها المواد المرنة. فالأواني المعدنية تسخن بسرعة، بينما يحمي المطاط المرن من الحروق. واليوم، يتجاوز هذا الإنجاز الجديد ذلك النمط التقليدي، إذ يطرح غشاءً رقيقًا يجمع بين صلابة بنيوية قوية وعزل حراري لا يضاهى. وقد هُندِست هذه المادة الجديدة غير المسامية على المستوى الجزيئي، فتحافظ على صلابة الصخر، وتكبح انتقال الحرارة بكفاءة تفوق خمسة أضعاف مقارنة بالسيليكون الطري.

تحقيقًا لهذا التطور، وظّف فريق البحث بيروفسكايتًا ثنائي الأبعاد هجينًا عضويًا-غير عضوي، يتبادل فيه الطبقات العضوية وغير العضوية في بنية بلورية محكمة. وباستبدال السلاسل الكربونية القياسية بحلقات بنزين مصممة خصيصًا، نجح الفريق في جعل المادة تحتجز الاهتزازات الحرارية دون المساس بهيكلها البنيوي. وأظهرت اختبارات الغشاء الجديد المسمى azobenzene-ethylammonium-lead-iodide أنّ موصليته الحرارية عند درجة حرارة الغرفة تبلغ نحو 0.04 W m⁻¹ K⁻¹. وللمقارنة، فإن أداء هذا الغشاء الصلب في العزل الحراري يفوق السيليكون الطري بخمس مرات، إذ تبلغ موصلية الأخير 0.2 W m⁻¹ K⁻¹.

يمثّل السيليكون معيارًا للمقاومة الحرارية في المنتجات اليومية مثل قفازات الفرن، لذا فإنّ الوصول إلى مستوى مماثل من العزل ضمن طلاء لا يتنازل عن الصلابة يُعدّ تقدمًا مهمًا.

آفاق تطبيق واسعة

قال Jun Liu، أستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران بجامعة ولاية كارولاينا الشمالية: «إذا أردنا المقارنة بين هذه المادة والسيليكون، فإنّ المادة التي صنعناها تتجاوز السيليكون في الصلابة بمعامل يتراوح بين 700 و10,000 مرة، فضلًا عن أنّ أداءها في العزل الحراري أفضل بخمس مرات.» وتتعدد آفاق التطبيق لهذه المادة وتتسم بالإلحاح. إذ تحدّ الحرارة المفرطة من أداء الرقاقات الدقيقة الحديثة، وتستهلك المركبات الفضائية وقودًا ثمينًا بسبب دروعها الخزفية الثقيلة، بينما تجد الأجهزة الإلكترونية القادمة نفسها محاصرة بقيودها الحرارية الذاتية. ومن شأن هذا الطلاء الرقيق القابل للطباعة والتوسيع، الذي يقترب نظريًا من حدود العزل الحراري القصوى، أن يغير هذا الواقع جذريًا.

والأفضل من ذلك أنه ليس محصورًا في بيئة المختبر. ووفقًا لما ذكره Liu أحد المؤلفين المشاركين، فإنّ عملية التصنيع قابلة للتوسيع بسهولة، إذ يمكن طباعتها على مساحات كبيرة بوصفها غشاءً رقيقًا، أو تطبيقها مباشرة بوصفها طلاءً صناعيًا واقيًا.

إلى جانب المادة الجديدة ذاتها، تكشف النتيجة عن ميزة إضافية، إذ تُظهر أنّ الهندسة الجزيئية قادرة على تخصيص المواد الطبقية لتجمع بين خصائص كان الجمع بينها مستحيلًا في السابق، مثل قوة لا تتزعزع وعزل حراري بالغ الشدة.

آثار المادة الجديدة على الأجهزة الإلكترونية وركوب الفضاء

يمثّل ظهور هذا الغشاء الرقيق الجديد قفزة نوعية في علوم المواد. فقد ظلّ التناقض بين صلابة المواد وموصليتها الحرارية قائمًا طوال سنوات، ونجحت هذه الدراسة في الجمع بينهما، مقدمةً حلًا لمشكلات تبريد الأجهزة الإلكترونية. فضلًا عن أنّ قابلية المادة للتوسيع تمنحها إمكانات واسعة في التطبيقات الصناعية، ولا سيما في مجال السفر إلى الفضاء، حيث يمكنها الإسهام في خفض وزن المعدات ورفع أدائها، وهو أمر بالغ الأهمية لمستقبل التطور التكنولوجي.