المواد المدركة بذاتها تبني أساس الهياكل الحية – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Self-aware materials build the foundation for living structures
(Maggie Pavlick – بواسطة: ماغي پاڤليك)

ملخص المقالة:

يمكن أن تكون القدرة على استشعار ومراقبة التغييرات – قبل أن تصبح مشاكل – موفرةً للتكلفة ومنقذةً للحياة. ولمواجهة هذه التهديدات المحتملة بشكل أفضل، صمم مختبر “المراقبة الهيكلية الذكية واختبار الاستجابة” (iSMaRT) في كلية “سودانسون” للهندسة بجامعة بيتسبرغ فئة جديدة من المواد الخارقة التي هي عبارة عن وسائط استشعار ومولدات نانوية، وتستعد لإحداث ثورة في تكنولوجيا المواد الكبيرة والصغيرة متعددة الوظائف. ويصف بحث المختبر نظام المادة الخارقة الجديد الذي يعمل بمثابة جهاز استشعار خاص بها، وتسجيل ونقل المعلومات الهامة عن الضغوط والاجهاد على هيكلها، وتوليد الطاقة الخاصة بها. ومن المؤمل استخدامها لمجموعة واسعة من استشعار ومراقبة التطبيقات.

( المقالة )

من أكبر الجسور إلى أصغر عمليات الزرع الطبية، توجد المستشعرات في كل مكان، ولسبب وجيه: يمكن أن تكون القدرة على استشعار ومراقبة التغييرات قبل أن تصبح مشاكل، موفرةً للتكلفة ومنقذةً للحياة.

ولمواجهة هذه التهديدات المحتملة بشكل أفضل، صمم مختبر “المراقبة الهيكلية الذكية واختبار الاستجابة” (iSMaRT) في كلية “سودانسون” للهندسة بجامعة بيتسبرغ فئة جديدة من المواد التي هي عبارة عن وسائط استشعار ومولدات نانوية، وتستعد لإحداث ثورة في تكنولوجيا المواد الكبيرة والصغيرة متعددة الوظائف.

ويصف البحث الذي نشر مؤخرا في نشرة نانو الطاقة (Nano Energy)، نظام المادة الخارقة [1] (meta-material) الجديد الذي يعمل بمثابة جهاز استشعار خاص بها، وتسجيل ونقل المعلومات الهامة عن الضغوط والاجهاد على هيكلها. وما يسمى ب “ميتا-المادة ذاتية الادراك” تولد الطاقة الخاصة بها، ويمكن استخدامها لمجموعة واسعة من استشعار ومراقبة التطبيقات.

والوجه الأكثر ابتكارا من هذا العمل هو قابليتها للتطور: التصميم نفسه يعمل في كلا نطاق النانو ونطاق الضخم، وببساطة عن طريق تكييف هندسة التصميم.

“ليس هناك شك في أن مواد الجيل القادم يجب أن تكون متعددة الوظائف وقابلة للتكيف وقابلة للضبط”، قال أمير علوي، الأستاذ المساعد في الهندسة المدنية والبيئية والهندسة الحيوية، الذي يقود مختبر “المراقبة الهيكلية الذكية واختبار الاستجابة”. وتابع: “لا يمكنك تحقيق هذه الميزات مع المواد الطبيعية وحدها، تحتاج النظم المختلطة أو المركبة المادية التي توفر فيه كل طبقة مكونة الوظائفية الخاصة بها. أنظمة المادة الخارقة الذاتية الادراك التي اخترعناها يمكن أن تقدم هذه الخصائص عن طريق دمج تقنيات حصاد متقدمة للمادة الخارقة والطاقة على نطاق متعدد، سواء كانت دعامة طبية أو ممتص صدمات أو جناح طائرة”.

وفي حين أن جميع مواد الاستشعار الذاتي الموجودة تقريبًا عبارة عن مركبات تعتمد على أشكال مختلفة من ألياف الكربون كوحدات استشعار، فإن هذا المفهوم الجديد يقدم طريقة مختلفة تمامًا، لكنها فعالة، لإنشاء أنظمة استشعار ومواد نانوية. ويعتمد المفهوم المقترح على تصميم مخصص للأداء وتجميع الهياكل الدقيقة للمواد.

وقد تم تصميم المادة بحيث تحدث كهربة التلامس تحت الضغط بين طبقاتها الموصلة والعازلة، مما ينتج عنه شحنة كهربائية تنقل المعلومات حول حالة المادة. وبالإضافة إلى ذلك، فإنه بطبيعة الحال يرث خصائص المعلقة الميكانيكية المواد الخارقة، مثل الانضغاطية السلبية ومقاومة فائقة للتشوه. الطاقة المولدة من المدمج في آلية توليد النانو الكهربائية الاحتكاكية يزيل الحاجة إلى وجود مصدر طاقة منفصل: ويمكن لهذه النظم المادية تسخير مئات واط من الطاقة في المقاييس الكبيرة.

“مغير اللعبة” من قلب الإنسان إلى بيئات الفضاء

“نحن نعتقد أن هذا الاختراع هو مغير للعبة في علم المادة الخارقة حيث الوظائفية المتعددة تكتسب الآن الكثير من الجاذبية”، قال كاڤح بارّي، المؤلف الرئيسي وطالب الدكتوراه في مختبر علوي. وأضاف: “في حين أن جزءًا كبيرًا من الجهود الحالية في هذا المجال كان مجرد الذهاب إلى استكشاف خصائص ميكانيكية جديدة، فإننا نتقدم خطوة إلى الأمام من خلال إدخال آليات ثورية للشحن الذاتي والاستشعار الذاتي في نسيج أنظمة المواد”.

وأضافت غلوريا زهانغ، المؤلف المشارك وطالبة الدكتوراه في معمل علوي: “مساهمتنا الأكثر إثارة هي أننا نقوم بهندسة جوانب جديدة للذكاء في نسيج المواد الخارقة. يمكننا تحويل أي نظام مواد الى أوساط استشعارية ومولدات نانوية تحت هذا المفهوم”.

وقد ابتكر الباحثون تصميمات نماذج أولية متعددة لمجموعة متنوعة من تطبيقات الهندسة المدنية والفضائية والطبية الحيوية. وعلى نطاق أصغر، يمكن استعمال دعامة القلب باستخدام هذا التصميم لمراقبة تدفق الدم واكتشاف علامات عودة التضيق، أو إعادة تضييق الشريان. وتم استخدام نفس التصميم أيضًا على نطاق أوسع لإنشاء شعاع قابل للضبط ميكانيكيًا مناسبًا لجسر يمكنه المراقبة الذاتية للعيوب الموجودة في هيكله.

لهذه المواد إمكانات هائلة خارج الأرض أيضًا. فمادة مدركة لذاتها لا تستخدم ألياف الكربون ولا لفائف؛ خفيفة الكتلة، منخفضة الكثافة، منخفضة التكلفة، قابلة للتطوير بدرجة عالية، ويمكن تصنيعها باستخدام مجموعة واسعة من المواد العضوية وغير العضوية؛ هذه الصفات تجعلها مثالية للاستخدام في استكشاف الفضاء في المستقبل.

وقال علوي: “لفهم تام للإمكانات الهائلة لهذه التكنولوجيا، تخيل كيف يمكننا حتى تكييف هذا المفهوم لبناء بيئات فضائية ذاتية الطاقة سليمة من الناحية الهيكلية باستخدام مواد محلية فقط على المريخ وما وراءه. نحن في الواقع نبحث في هذا الآن”. وتابع: “يمكنك إنشاء أنظمة مواد متناهية الصغر (نانوية)، وجزئية، وكلية، وضخمة في إطار هذا المفهوم. ولهذا السبب، أنا واثق من أن هذا الاختراع يمكن أن يبني الأسس لجيل جديد من هندسة الهياكل الحية التي تستجيب للمحفزات الخارجية، مراقبة حالتها بنفسها، وامداد نفسها بالطاقة”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر :

https://phys.org/news/2021-06-self-aware-materials-foundation.html

لمزيد من المعلومات: كاڤيح باري وآخرون،  Multifunctional meta-tribomaterial nano-generators for energy harvesting and active sensing, Nano Energy (2021).  DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106074

الهوامش:

[1] المادة الخارقة هي أي مادة تمت هندستها لتكون لها خاصية غير موجودة في المواد التي تحدث بشكل طبيعي. إنها مصنوعة من مجموعات من عناصر متعددة مصنوعة من مواد مركبة مثل المعادن والبلاستيك. ويكيبيديا.