ابتكار مادة معمارية جديدة وخفيفة الوزن مستوحاة من الطبيعة
ابتكر فريق دولي من المهندسين مادة معمارية ذكية وخفيفة الوزن، مستوحاة من الأشكال الخلوية للمواد الطبيعية، وطوروها باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.
وعمد فريق المهندسين في جامعة غلاسكو البريطانية، إلى خلط شكل شائع من البلاستيك الصناعي مع أنابيب نانوية كربونية، لإنشاء مادة أقوى وأكثر قساوة وذكاء من المواد التقليدية المماثلة.
ونشروا نتائج دراستهم في ورقة بحثية بمجلة "أدفانسد إينجينيرينغ ماتيريالز" العلمية.
وتسمح الأنابيب النانوية للبلاستيك غير الناقل بحمل شحنة كهربائية في جميع أنحاء هيكلها، وعند تعرض الهيكل لأحمال ميكانيكية تتغير مقاومته الكهربائية، بظاهرة تعرف باسم "الحساسية البيزورية"، ما يعطي المادة قدرة الحفاظ على صحة هيكلها.
وتمكن المهندسون من تطوير سلسلة من التصميمات المعقدة مع بنية مسامية متوسطة الحجم، باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المتقدمة والموفرة لمستوى عال من التحكم في تصميم الهياكل المطبوعة، ما يساعد على تقليل الوزن الإجمالي لكل تصميم وتعزيز الأداء الميكانيكي.
وتشبه تصميمات فريق المهندسين الخلوية، المواد المسامية الموجودة في العالم الطبيعي؛ مثل خلايا النحل والإسفنج والعظام، وهي خفيفة الوزن لكنها قوية.
ويشير فريق المهندسين إلى إمكانية تطبيق استخدام المواد الخلوية الجديدة في الطب والأطراف الصناعية وتصميم السيارات والفضاء، وغيرها من المجالات المحتاجة إلى مواد صلبة ومنخفضة الكثافة.
وتحقق المهندسون من خصائص امتصاص الطاقة والاستشعار الذاتي لثلاثة تصميمات مختلفة للهندسة النانوية، وطبعوها باستخدام مواد خاصة مصنوعة من بوليمر عشوائي من مادة البولي بروبيلين والأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران.
ووجد المهندسون من بين التصميمات الثلاثة المختبرة، أن أحدها شكل مزيجا أكثر فعالية في الأداء الميكانيكي وقدرة الاستشعار الذاتي كلوحة شبكية على شكل مكعب تضمنت صفائح مسطحة معبأة بإحكام.
وأظهر الهيكل الشبكي عند تعرضه للضغط الرتيب، قدرة امتصاص طاقة مماثلة لرغوات النيكل من الكثافة النسبية نفسها، وتفوقت على عدد من المواد التقليدية الأخرى من الكثافة نفسها.
وقال الدكتور شانموغان كومار، قائد الدراسة: "يتعلم المهندسون من الطبيعة أمورا كثيرة عن كيفية موازنة الخصائص والهيكل لإنشاء مواد خفيفة الوزن وعالية الأداء، ونحن نستلهم منها لتطوير موادنا الخلوية الجديدة والمميزة عن المنتجات التقليدية، ويمكن ضبطها بدقة للتلاعب بخصائصها الفيزيائية".
ويوفر البوليمر المشترك العشوائي من البولي بروبلين قابلية معالجة محسنة ومقاومة لدرجة الحرارة واتساقا أفضل للمنتج، وقوة تأثير أفضل.
وتساعد الأنابيب النانوية الكربونية في جعل المواد الخلوية، قوية ميكانيكيا أثناء نقل التوصيل الكهربائي. ويمكن اختيار مدى المسامية في التصميم لتعزيز الخواص الميكانيكية الخاصة بالكتلة.
وللمواد الخلوية الجديدة تطبيقات عملية عديدة، ويمكن أن تساعد في صنع هياكل سيارات أخف وزنا وأكثر كفاءة أو دعامات خلفية لمرضى الجنف، إذ تستطيع استشعار أجسامهم لينالوا الدعم الأمثل، ويمكن استخدامها في إنشاء أشكال جديدة من أقطاب البطاريات الكهربائية.
