كهربة الأسمنت مع النانوكربون الأسود – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Electrifying cement with nanocarbon black
(Andrew Logan – بقلم: أندرو لوجان)

ملخص المقالة:

ساهمت الخرسانة في تقدم الحضارة، من خلال تطبيقات البناء التي لا حصر لها من الجسور إلى المباني. وهناك جهد منذ عدة سنوات من قبل باحثي مركز استدامة الخرسانة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بالتعاون مع المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي، يهدف الى جعل الخرسانة أكثر استدامة من خلال إضافة التوصيل الإلكتروني، التي يسمح باستخدام الخرسانة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة، بدءًا من التسخين الذاتي إلى تخزين الطاقة. ويعتمد نهج الباحثين على الإدخال المتحكم فيه لمواد الكربون النانوية عالية التوصيل في خليط الأسمنت. ومن خلال تمكين التسخين، يمكن استخدام الأسمنت الكربوني النانوي لإزالة الجليد من الأرصفة بدون نثر الملح على الطرق، مما قد يوفر ملايين الدولارات في تكاليف الإصلاح والتشغيل مع معالجة المخاوف المتعلقة بالسلامة والبيئة. وفي بعض التطبيقات التي يكون فيها الحفاظ على أوضاع الارصفة استثنائية أمرًا بالغ الأهمية – مثل مدارج المطارات – يمكن أن تكون هذه التقنية مفيدة بشكل خاص. 

( المقالة )

منذ اختراعها قبل عدة آلاف من السنين، أصبحت الخرسانة مساهمة في تقدم الحضارة، موجدةً استخدامًا في تطبيقات البناء التي لا حصر لها – من الجسور إلى المباني. ومع ذلك، على الرغم من قرون من الابتكار، ظلت وظيفتها هيكلية في المقام الأول.

ويهدف الجهد المتعدد السنوات من قبل باحثي مركز استدامة الخرسانة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بالتعاون مع المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي، الى تغيير ذلك. ويَعِدُ تعاونهم بجعل الخرسانة أكثر استدامة من خلال إضافة وظائف جديدة – وهي التوصيل الإلكتروني. وتسمح الموصلية الإلكترونية باستخدام الخرسانة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة، بدءًا من التسخين الذاتي إلى تخزين الطاقة.

ويعتمد نهجهم على الإدخال المتحكم فيه لمواد الكربون النانوية عالية التوصيل في خليط الأسمنت. وفي ورقة بحثية نشرت في مجلة “مواد المراجعة الفيزيائية Physical Review Materials”، قاموا بالتحقق من صحة هذا النهج أثناء تقديم المعامل التي تملي موصلية المادة.

وتعتقد نانسي سوليمان، مؤلفة الورقة الرئيسية وباحثة ما بعد الدكتوراة في مركز استدامة الخرسانة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أن هذا البحث لديه القدرة على إضافة بُعد جديد تمامًا لكونها بالفعل مادة بناء شائعة. وتشرح قائلة: “هذا نموذج من الدرجة الأولى للأسمنت الموصل”. “وسيجلب [المعرفة] اللازمة لتشجيع توسيع نطاق هذه الأنواع من المواد [متعددة الوظائف]”.

من المقياس النانوي إلى أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا

على مدى العقود العديدة الماضية، انتشرت المواد الكربونية النانوية بسبب مزيجها الفريد من الخصائص، وعلى رأسها الموصلية. وقد اقترح العلماء والمهندسون سابقًا تطوير المواد التي يمكن أن تنقل الموصلية للأسمنت والخرسانة إذا تم دمجها في الداخل.

وبالنسبة لهذا العمل الجديد، أرادت سوليمان التأكد من أن المواد الكربونية النانوية التي اختاروها كانت ميسورة التكلفة بما يكفي لإنتاجها على نطاق واسع. واستقرت هي وزملاؤها على أسود الكربون النانوي – مادة كربونية رخيصة ذات موصلية ممتازة، وقد وجدوا أن تنبؤاتهم عن الموصلية قد تأكدت. وتقول سوليمان: “الخرسانة مادة عازلة بشكل طبيعي، ولكن عندما نضيف جزيئات سوداء من الكربون النانوي، فإنها تنتقل من كونها عازلة إلى مادة موصلة”.

ومن خلال دمج أسود الكربون النانوي بحجم 4 في المائة فقط من الخليط، وجدت سوليمان وزملاؤها أنهم يستطيعون الوصول إلى عتبة النفاذ، وهي النقطة التي يمكن أن تحمل عيناتهم عندها تيارًا كهربائيا. وقد لاحظوا أن هذا التيار كان له أيضًا نتيجة مثيرة للاهتمام: يمكن أن يولد الحرارة. وهذا بسبب ما يعرف بتأثير جول.

“تسخين الجول (أو التسخين المقاوم) ناتج عن التفاعلات بين الإلكترونات المتحركة والذرات في الموصل”، كما يوضح نيكولاس تشانوت، وهو مؤلف مشارك في الورقة وباحث ما بعد الدكتوراة في مركز استدامة الخرسانة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ويضيف: “الطاقة في كل مرة تصطدم فيها بذرة، مما يؤدي إلى اهتزاز الذرات في الشبكة، والذي يتجلى في شكل حرارة وارتفاع في درجة حرارة المادة”.

وقد وجدوا في تجاربهم أنه حتى الجهد الصغير – المنخفض مثل 5 فولت – يمكن أن يزيد درجات حرارة سطح عيناتهم (حوالي 5 سم مكعب  في الحجم) حتى 41 درجة مئوية (حوالي 100 درجة فهرنهايت). وفي حين أن سخان المياه القياسي قد يصل إلى درجات حرارة مماثلة، فمن المهم النظر في كيفية تنفيذ هذه المادة عند مقارنتها باستراتيجيات التسخين التقليدية.

ويوضح تشانوت: “يمكن أن تكون هذه التقنية مثالية لتدفئة الأرضية الداخلية المتوهجة. ويتم عادة إجراء التسخين بالتوهج الداخلي عن طريق تدوير المياه الساخنة في الأنابيب التي تحت الأرضية. ولكن هذا النظام قد يكون صعبًا في البناء والصيانة.  وعندما يصبح الأسمنت نفسه عنصرًا للتدفئة، يكون نظام التدفئة أسهل في التركيب وأكثر موثوقية. بالإضافة إلى ذلك، يوفر الأسمنت توزيعًا أكثر تجانسًا للحرارة بسبب التشتت الجيد جدًا للجسيمات النانوية في المادة”.

ويمكن أن يكون للأسمنت الكربوني النانوي تطبيقات مختلفة في الخارج أيضا. ويعتقد تشانوت وسوليمان أنه إذا نفذت في الأرصفة الخرسانية، فإن الأسمنت الكربوني النانوي يمكن أن يخفف القلق حول قوة التحمل والاستدامة والسلامة. وتنبع الكثير من هذه المخاوف من استخدام الملح لإزالة الجليد.

“في أمريكا الشمالية، نرى الكثير من الثلوج. ولإزالة هذا الثلج من الطرق يتطلب استخدام أملاح إزالة الجليد، والتي يمكن أن تلحق الضرر بالخرسانة، وتلوث المياه الجوفية” ، كما تشير سوليمان. إن الشاحنات الثقيلة المستخدمة لنثر الملح على الطرق هي أيضًا منفثة ثقيلة ومكلفة للتشغيل.

ومن خلال تمكين التسخين بالتوهج في الأرصفة، يمكن استخدام الأسمنت الكربوني النانوي لإزالة الجليد من الأرصفة بدون نثر الملح على الطرق، مما قد يوفر ملايين الدولارات في تكاليف الإصلاح والتشغيل مع معالجة المخاوف المتعلقة بالسلامة والبيئة. وفي بعض التطبيقات التي يكون فيها الحفاظ على أوضاع الارصفة استثنائية أمرًا بالغ الأهمية – مثل مدارج المطارات – يمكن أن تكون هذه التقنية مفيدة بشكل خاص.

أسلاك متشابكة

في حين أن هذا الأسمنت الاحدث يقدم حلولًا أنيقة لمجموعة من المشكلات، فإن تحقيق الوظائف المتعددة يطرح مجموعة متنوعة من التحديات التقنية. فعلى سبيل المثال، بدون طريقة لمحاذاة الجسيمات النانوية في دائرة عاملة – تُعرف باسم التسليك الحجمي – داخل الأسمنت، سيكون من المستحيل استغلال موصليتها. ولضمان التسليك الحجمي المثالي، قام الباحثون بالتحقيق في خاصية تعرف باسم التعرج.

ويوضح فرانز-جوزيف أولم، القائد والمؤلف المشارك في الورقة، والأستاذ في قسم الهندسة المدنية والبيئية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ومستشار هيئة التدريس في مركز استدامة الخرسانة، أن “الانحطاط  هو مفهوم قدمناه عن طريق القياس من مجال الانتشار. وفي الماضي، وصفت كيفية تدفق الأيونات؛ وفي هذا العمل، نستخدمها لوصف تدفق الإلكترونات عبر السلك الحجمي”.

ويشرح البروفيسور أولم الانحراف بمثال سيارة تسير بين نقطتين في المدينة. ففي حين أن المسافة بين هاتين النقطتين عندما يطير الغراب قد تكون ميلين، فإن المسافة الفعلية المقطوعة قد تكون أكبر بسبب  دائرية الشوارع.

وينطبق الشيء نفسه على الإلكترونات التي تنتقل عبر الأسمنت. ودائمًا ما يكون المسار الذي يجب أن يسلكوه داخل العينة أطول من طول العينة نفسها، والدرجة التي يكون فيها هذا المسار أطول هو التعرج.

ويعني تحقيق التعرج الأمثل موازنة كمية الكربون وتشتته. فإذا كان الكربون مشتتًا بشكل كبير جدًا، فسيصبح التسليك الحجمي قليلًا، مما يؤدي إلى حدوث تعرج شديد. وبالمثل، بدون وجود كمية كافية من الكربون في العينة، سيكون التعرج أعظم من أن يشكل تسليكًا مباشرًا وفعالًا ذا موصلية عالية.

وحتى إضافة كميات كبيرة من الكربون يمكن أن يؤدي إلى نتائج عكسية. وعند نقطة معينة، ستتوقف الموصلية عن التحسن، ومن الناحية النظرية، لن تؤدي إلا إلى زيادة التكاليف إذا تم تنفيذها على نطاق واسع. ونتيجة لهذه التعقيدات، سعوا (في مركز استدامة الخرسانة) إلى تحسين مزيجهم. ويقول البروفيسور أولم : “وجدنا أنه من خلال ضبط حجم الكربون، يمكننا الوصول إلى قيمة تعرج تبلغ 2. وهذا يعني أن المسار الذي تسلكه الإلكترونات يبلغ ضعف طول العينة فقط”.

وكان قياس هذه الخصائص أمرًا حيويًا بالنسبة للبروفيسور أولم وزملائه. ولم يكن الهدف من ورقتهم العلمية الأخيرة مجرد إثبات أن الأسمنت متعدد الوظائف كان ممكنًا، ولكن كان أيضًا قابلاً للتطبيق للإنتاج بالجملة.

ويوضح البروفيسور أولم: “النقطة الأساسية هي أنه لكي يتمكن المهندس من التقاط الأشياء، فإنه يحتاج إلى نموذج كمي”. ويضيف: “قبل أن تخلط المواد معًا، يجب أن تكون قادرًا على توقع خصائص معينة قابلة للتكرار. هذا هو بالضبط ما توضحه هذه الورقة ؛ فهي تفصل ما يرجع إلى الظروف الحدودية – الظروف البيئية [الخارجية] – وما هو حقًا بسبب الآليات الأساسية داخل المادة”.

ومن خلال عزل وقياس هذه الآليات، يأمل سوليمان، تشانوت، والبروفيسور أولم أن توفر للمهندسين بالضبط ما يحتاجون إليه لتنفيذ الاسمنت متعدد الوظائف على نطاق أوسع. إن المسار الذي رسموه يعد طريقًا واعدًا – وبفضل عملهم، لا ينبغي أن يكون متعرجًا للغاية.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2021-04-electrifying-cement-nanocarbon-black.html

لمزيد من المعلومات: نانسي أ. سوليمان وآخرون،  Electric energy dissipation and electric tortuosity in electron conductive cement-based materials, Physical Review Materials (2020). DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.125401

ملحوظة: أعيد نشر هذه المقالة بإذن من MIT News ( web.mit.edu/newsoffice/)  ، وهو موقع شهير يغطي الأخبار حول أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والابتكار والتعليم.