ألهمت طيور البطريق العلماء لإنشاء فيلم عالي التقنية للصناعة

علماء من معهد هاربين للتكنولوجيا وجامعة خنان العادية ومختبر سوتشو لقد طوروا مادة يمكنها التبديل بشكل سلبي بين أوضاع التدفئة والتبريد، والتحكم في إشعاع الميكروويف، وصد الماء. ونشرت نتائج الدراسة في المجلة مواد وظيفية متقدمة. كان مصدر إلهام العلماء هو طيور البطريق، سادة التنظيم الحراري المعترف بهم في الطبيعة.

ما علاقة طيور البطريق بالأمر؟

للوهلة الأولى، لا يوجد شيء مشترك بين طيور البطريق وأفران الميكروويف. ومع ذلك، فإن مراقبة هذه الطيور بالذات سمحت للباحثين بالتوصل إلى اكتشاف. يعتمد التنظيم الحراري لطيور البطريق على البنية متعددة الطبقات للريش وخصائصه المقاومة للماء. يعمل جسم البطريق كنظام تكيفي يعيد توزيع تدفقات الحرارة حسب الظروف الخارجية. وهذه القدرة – التبديل السلبي المحدد هيكليًا بين أوضاع نقل الحرارة – هي التي استعارها العلماء في اختراعهم. استفاد الباحثون من ميزة أخرى لطيور البطريق: الكارهة للماء. يطرد ريش البطريق الماء، وهو أمر بالغ الأهمية للبقاء على قيد الحياة في القارة القطبية الجنوبية. وبالمثل، فإن سطح المادة الجديدة يقاوم الجليد.

مشكلة لم يتم حلها منذ عقود

لقد أجبرت التغيرات الموسمية في درجات الحرارة المهندسين منذ فترة طويلة على الاختيار بين إنشاء طبقات إما تمتص الحرارة في الشتاء أو تعكسها في الصيف. لم يكن من الممكن الجمع بين الخاصيتين في مادة واحدة – فكل حل يعمل في اتجاه واحد فقط.

وقد تعقد الوضع بسبب الإلكترونيات الحديثة: فقد خلقت الهوائيات والرادارات والأقمار الصناعية والشبكات اللاسلكية بيئة كهرومغناطيسية كثيفة تتعارض فيها الخصائص الحرارية وخصائص التدريع للمواد بشكل مباشر. تعكس طبقات التبريد الضوء ولكنها لا تحمي أفران الميكروويف بشكل جيد. على العكس من ذلك، غالبًا ما تزيد الدروع الكهرومغناطيسية من امتصاص الحرارة.

يانوس ذو وجهين مصنوع من ثاني أكسيد الفاناديوم

وكان الحل فيلم ذو وجهين يسمى “يانوس” – تكريما للإله الروماني ذو الوجهين. مكونه الرئيسي هو ثاني أكسيد الفاناديوم (VO₂)، وهو مركب ذو مرحلة انتقالية فريدة. عند تسخينها إلى حوالي 68 درجة مئوية، تتغير المادة فجأة من الحالة العازلة إلى الحالة المعدنية، وتنخفض مقاومتها الكهربائية بعامل قدره 10000. هذه الخاصية هي التي توفر التحكم الديناميكي في الموجات الدقيقة.

كيف يعمل الفيلم المعجزة؟

وفي الاختبارات المعملية، امتص جانب التسخين من الفيلم 94.5% من الطاقة الشمسية، حيث وصلت درجات الحرارة إلى 73 درجة مئوية في الداخل و87 درجة مئوية في الخارج. عند تسخينها، تشكل جزيئات VO₂ قنوات موصلة داخل المادة تسمح لها بامتصاص وعكس موجات الميكروويف. وفي النطاق X (المستخدم في اتصالات الرادار والأقمار الصناعية)، ينخفض ​​إرسال الموجات الدقيقة من 83.6% إلى 0.06%. تتجاوز كفاءة التدريع 30 ديسيبل. وللتوضيح، أوضح الباحثون كيف يعمل اتصال البلوتوث عند درجات حرارة منخفضة وينقطع تمامًا بعد تسخين الفيلم.

يعمل الجانب الخلفي من الفيلم بالطريقة المعاكسة تمامًا. تعكس طبقة من جزيئات السيليكا المسامية أكثر من 90% من ضوء الشمس وتنبعث منها حرارة في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسط ​​بكفاءة تبلغ 97.1%. وفي الاختبارات الميدانية، حافظ جانب التبريد على درجات حرارة السطح بين 4 درجات مئوية و12 درجة مئوية تحت درجة الحرارة المحيطة. وبالتالي، فإن نفس الفيلم هو في نفس الوقت مجمع للطاقة الشمسية من جهة ومبرد للإشعاع من جهة أخرى.

كلتا الطبقتين كارهة للماء للغاية: يتدحرج الماء عن السطح دون أن يترك أثراً. وهذا يوفر تأثيرًا مضادًا للتجمد: في التجارب، تأخر التجميد لمدة 812 ثانية، وفي ضوء الشمس الضعيف ودرجة حرارة حوالي -6 درجة مئوية، ذاب الجليد المتراكم في حوالي 17 دقيقة.

أين يمكن استخدام الاختراع؟

حسب الباحثون أن استخدام المادة في البناء يمكن أن يوفر توفيرًا في الطاقة يبلغ حوالي 38.9 ميجا جول لكل متر مربع سنويًا (أي ما يعادل 11 كيلووات في الساعة تقريبًا). وتشمل التطبيقات الواعدة الطلاءات التكيفية للمباني والمركبات والطيران والإلكترونيات الخارجية. ولا يستبعد الباحثون أيضًا التطبيقات العسكرية والفضائية: فالمادة قادرة على تغيير خصائص الموجات الميكروية ديناميكيًا عبر نطاق ترددي واسع من 8.2 إلى 40 جيجا هرتز.

حاليا التطوير في مرحلة المختبر. المرحلة التالية هي اختبار متانة الشوارع على المدى الطويل واختبار الإنتاج الصناعي.