علماء يصنعون بلاستيكًا يحجب الحرارة دون أن يفقد قوته

قد يوفر نهج جديد للتحكم في الاهتزازات الذرية في البوليمرات طريقًا نحو مواد خفيفة الوزن تقاوم بشكل أفضل انتقال الحرارة والنار.

ماذا لو كان البلاستيك قادرًا على حجب الحرارة بشكل أكثر فعالية دون أن يصبح أضعف أو أثقل أو أصعب في التصنيع؟ الباحثون في جامعة ماساتشوستس أمهرست يقولون إنهم ربما وجدوا طريقة جديدة لجعل ذلك ممكنًا عن طريق تغيير كيفية انتقال الحرارة عبر مادة على المستوى الذري.

يستهدف نهجهم أحد أكبر التحديات في مجال العزل الحراري. تعتمد معظم المواد العازلة على الهواء المحبوس لأن الهواء موصل رديء للحرارة. تعمل هذه الإستراتيجية بشكل جيد مع منتجات مثل العزل الرغوي، لكن إدخال الجيوب الهوائية في المواد البلاستيكية غالبًا ما يكون له تكلفة، مما يقلل من القوة والمتانة ويعقد عملية التصنيع. بدلًا من إضافة مساحة فارغة، ركز فريق UMass على تعطيل الاهتزازات المجهرية التي تحمل الحرارة عبر المواد الصلبة.

يمكن أن يساعد هذا العمل في تمهيد الطريق لفئة جديدة من المواد البلاستيكية التي تتميز بخفة الوزن والمرونة ومثبطات اللهب وأفضل في الحد من انتقال الحرارة. تتراوح التطبيقات المحتملة من البدلات الفضائية والمركبات الفضائية إلى المباني والإلكترونيات الموفرة للطاقة والتي تتطلب إدارة حرارية محسنة.

إعادة التفكير في كيفية انتقال الحرارة عبر المواد البلاستيكية

تقيس الموصلية الحرارية مدى سهولة انتقال الحرارة عبر المادة. فالمعادن، على سبيل المثال، توصل الحرارة بكفاءة لأن الطاقة يمكن أن تتحرك بسرعة عبر بنيتها الذرية. تعمل المواد العازلة على إبطاء هذه العملية.

بدلًا من تغيير بنية المادة عن طريق إضافة مسام أو تجاويف مملوءة بالهواء، قام باحثو جامعة UMass بفحص النقل الحراري على المستوى الذري. في المواد الصلبة، يتم نقل الحرارة إلى حد كبير من خلال الاهتزازات التي تمر منها ذرة إلى الذرة. كلما كانت تلك المسارات الاهتزازية أكثر تنظيمًا ويمكن الوصول إليها، كلما زادت كفاءة تحرك الحرارة.

شرعت يانفي شو، مؤلفة الدراسة والأستاذ المساعد في كلية ريتشيو للهندسة في جامعة ماساتشوستس في أمهرست، وفريقها في التدخل في تلك المسارات.

يقارن شو نقل الحرارة الطبيعي بلواء الدلو، حيث يقوم رجال الإطفاء بتمرير دلاء من الماء بكفاءة عبر الخط. في هذا التشبيه، يمثل رجال الإطفاء الذرات، وتمثل الدلاء الحرارة. عندما يتم التنسيق بين الجميع، تنتقل الحرارة بسرعة من مكان إلى آخر.

أراد الباحثون التأثير المعاكس.

خلق “الفوضى البطيئة”

ولإبطاء انتقال الحرارة، استخدم الباحثون الهندسة الاهتزازية لتعطيل هذا التنسيق. فبدلاً من أن يتصرف كصف منظم من رجال الإطفاء يمررون دلاءً كبيرة، يتصرف البوليمر كمجموعة من الأطفال الصغار غير المنظمين. يتحرك كل منها في اتجاه مختلف ويمكنه حمل أكواب صغيرة فقط بدلاً من الدلاء الكبيرة، مما يجعل نقل الحرارة أقل كفاءة بكثير.

وبسبب هذه الحركة المضطربة، تتحرك الحرارة عبر المادة بشكل أبطأ. في اختبار أولي باستخدام بوليمر هجين مصنوع من البولي يوريثين ورباعي هيدروكسي ديوكسي بنزوين تريازول، وجد الفريق أن هذه “الفوضى البطيئة”، كما وصفها شو، قللت من التوصيل الحراري بنسبة 17%. أظهرت المادة أيضًا خصائص مثبطة للهب.

على الرغم من أن الانخفاض في التوصيل الحراري كان متواضعًا نسبيًا في هذه الدراسة المبكرة، إلا أن شو يعتقد أن النتائج تكشف عن طريقة جديدة مهمة للتحكم في تدفق الحرارة في المواد.

وتقول: “هناك الكثير من الإمكانات”. “من خلال تقليل كثافة القنوات الاهتزازية التي يمكن الوصول إليها حرارياً والمتاحة للنقل الحراري، يتم قمع التوصيل الحراري. وتظل المواد كثيفة، ومتوافقة ميكانيكيًا، ومثبطة للهب.”

المرجع: “قمع النقل الحراري في هجينة البوليمر غير المسامية عن طريق الحد من أوضاع الاهتزاز التي يمكن الوصول إليها حرارياً” بقلم هنري ووردن، ميهير شاندرا، ييجي تشو، ظريف أحمد رازين بويان، مويانغ تشينج، كريشنامورثي مونوسامي، دوك نغيم، ويجو هو، ويبو يان، سيو وو، رويبينج لي، تشانغ جيانغ، آنا تشاترجي، شينغجيا تشانغ، إيليا ن. إيفانوف، جيهوا تشين، جاك سي. لاسيتر، منجرو جين، ديرين أبيتاجا أوغلو، تشينغ تو، تود إمريك، جون ليو ويانفي شو، 18 مايو 2026، آفاق المواد.
دوى: 10.1039/D6MH00633G

تم دعم البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، وإدارة الطيران الفيدرالية، وUMass Amherst.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.