العلماء يصممون موادًا جديدةً يمكنها امتصاص وإطلاق كميات هائلة من الطاقة – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Scientists engineer new material that can absorb and release enormous amounts of energy
(مقدمة من: جامعة ماساتشوستس أمهيرست –  University of Massachusetts Amherst)

ملخص المقالة:

صمم باحثو جامعة ماساتشوستس أمهيرست مادة صلبة، تشبه المطاط ويمكنها امتصاص وإطلاق كميات كبيرة جدا من الطاقة، وهي قابلة للبرمجة. وتحمل هذه المادة وعدا كبيرا لمجموعة واسعة جدا من التطبيقات، من تمكين الروبوتات من الحصول على المزيد من الطاقة دون استخدام طاقة إضافية، إلى الحماية الجديدة والمواد الواقية التي يمكن أن تبدد الطاقة بسرعة أكبر بكثير.

( المقالة )

أعلن فريق من الباحثين من جامعة ماساتشوستس أمهيرست مؤخرا في نشرة “وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم”(Proceedings of the National Academy of Sciences) أنهم صمموا مادة صلبة جديدة تشبه المطاط لها صفات مدهشة. ويمكنها امتصاص وإطلاق كميات كبيرة جدا من الطاقة. وهي قابلة للبرمجة. وتحمل هذه المادة الجديدة – مجتمعة – وعدا كبيرا لمجموعة واسعة جدا من التطبيقات، من تمكين الروبوتات من الحصول على المزيد من الطاقة دون استخدام طاقة إضافية، إلى الحماية الجديدة والمواد الواقية التي يمكن أن تبدد الطاقة بسرعة أكبر بكثير.

ويقول البروفيسور ألفريد كروسبي، أستاذ علوم وهندسة البوليمر في جامعة ماساتشوستس أمهيرست وكبير مؤلفي الورقة البحثية: “تخيل شريطا مطاطيا تسحبه للخلف، وعندما تتركه يذهب، فإنه يطير عبر الغرفة. وتخيل الآن شريطا مطاطيا فائقا عندما تمددها إلى ما بعد نقطة معينة، فإنك تقوم بتنشيط الطاقة الإضافية المخزنة في المادة، وعندما تدع هذا الشريط المطاطي يذهب، فإنه يطير لمسافة ميل”.

ويتكون هذا الشريط المطاطي الافتراضي من مادة خارقة جديدة – وهي مادة مصممة للحصول على خاصية غير موجودة في المواد التي تحدث بشكل طبيعي – تجمع بين مادة مرنة تشبه المطاط مع مغناطيسات صغيرة مضمنة فيها. وتستفيد هذه المادة “المغناطيسية” الجديدة من خاصية فيزيائية تعرف باسم تحول الطور لتضخيم كمية الطاقة التي يمكن للمادة إطلاقها أو امتصاصها بشكل كبير.

ويحدث تحول الطور عندما تنتقل مادة من حالة إلى أخرى: فكر في تحول الماء إلى بخار أو تصلب خرسانة سائلة إلى رصيف. وكلما حولت المادة طورها، يتم إطلاق الطاقة أو امتصاصها. ولا تقتصر تحولات الطور على التغيرات بين الحالات السائلة والصلبة والغازية فحسب، بل يمكن أن يحدث تحول من طور صلب إلى آخر. ويمكن تسخير تحول الطور الذي يطلق الطاقة كمصدر للطاقة، ولكن الحصول على ما يكفي من الطاقة كان دائما الجزء الصعب.

ويقول البروفيسور كروسبي: “لتضخيم إطلاق الطاقة أو امتصاصها، عليك هندسة بنية جديدة على المستوى الجزيئي أو حتى الذري”. ومع ذلك، فإن القيام بذلك أمر صعب وأكثر صعوبة في القيام به بطريقة يمكن التنبؤ بها. ولكن باستخدام المواد الخارقة، يقول كروسبي: “لقد تغلبنا على هذه التحديات، ولم نصنع مواد جديدة فحسب، بل طورنا أيضا خوارزميات التصميم التي تسمح ببرمجة هذه المواد باستجابات محددة، مما يجعلها قابلة للتنبؤ بها”.

واستلهم الفريق بعض الاستجابات السريعة كالبرق التي شوهدت في الطبيعة: كانغلاق عضة نبتة “فينوس” صائدة الذباب والنمل ذوات فخ الفك.

ويقول اكسودونغ ليانغ، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية، وهو حاليا أستاذ في معهد هاربين للتكنولوجيا، في مدينة شنتشن في الصين الذي أكمل هذا البحث أثناء عمله ما بعد الدكتوراه في جامعة ماساتشوستس أمهيرست: “لقد أخذنا هذا إلى المستوى التالي، ومن خلال تضمين مغناطيسات صغيرة في المادة المرنة، يمكننا التحكم في انتقالات الطور لهذه المادة الخارقة. ولأن تحول الطور يمكن التنبؤ به وتكراره، يمكننا هندسة المادة الخارقة للقيام بالضبط بما نريدها أن تفعله: إما امتصاص الطاقة من تأثير كبير، أو إطلاق كميات كبيرة من الطاقة للحركة المتفجرة”.

ولهذا البحث، الذي دعمه مختبر أبحاث الجيش الأمريكي ومكتب أبحاث الجيش الأمريكي وكذلك معهد هاربين للتكنولوجيا في شنتشن، تطبيقات في أي سيناريو تكون فيه هناك حاجة إلى تأثيرات عالية القوة أو استجابات سريعة البرق.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2022-02-scientists-material-absorb-enormous-amounts.html

لمزيد من المعلومات: اكسودونغ ليانغ وآخرون، Phase-transforming metamaterial with magnetic interactions, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022).  DOI: 10.1073/pnas.2118161119