سيراميك ذو بنية نانوية لبناء طائرات وبطاريات أخف وأقوى

تم التوصل إلى نوع جديد من المواد المصنوعة من دعامات نانوية متقاطعة على غرار دعامات برج إيفل، حيث تعتبر هذه المادة واحدة من أقوى وأخف المواد على الإطلاق.

و إذا تمكن الباحثون من إيجاد طريقة لإنتاج هذه المواد بكميات كبيرة، فمن الممكن استخدام هذه المادة مادة لصناعة هياكل الطائرات والشاحنات، وكذلك أقطاب البطاريات.

فقد وجد باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بقيادة عالمة المواد جوليا جرير (Julia Greer) أنه من خلال التصميم الدقيق لدعامات و مفاصل من السيراميك والمعادن وغيرها من المواد على مستوى النانو متر فإنه من الممكن جعلها كالإسفنج قابلة لاستعادة شكلها بعد أن تسحق. هذه المواد هي قوية جدا وخفيفة بما يكفي لتطفو في الهواء وكأنها ريشة - وقد تم نشر هذا العمل في مجلة ساينس العلمية.

في المواد التقليدية، ترتبط القوة والوزن والكثافة ببعضها. فالسيراميك على سبيل المثال، هي مادة قوية لكنها ثقيلة، لذلك لا يمكن استخدامها كمواد هيكلية حيث أن الوزن هو أمر مهم وحساس في هياكل السيارات. وعندما يسحق السيراميك، فإنه يميل إلى التحطم بصورة كارثية حيث يتشظى كالزجاج. ولكن هذا الأمر لا ينطبق على المقياس النانوي. ففي هذا الحجم تصبح الخصائص الهيكلية والميكانيكية للسيراميك أقل ارتباطا بالوزن، و من الممكن تغييرها بشكل أكثر دقة.

وتقول جرير -التي اختيرت من قبل مجلة (MIT Technology Review) كواحدة من المخترعين الخمسة والثلاثون تحت 35 عاماً في عام 2008 لعملها في الميكانيك النانوي- "بالنسبة للسيراميك فإن الأصغر هو أشد قوة"، وهذا يعني أن الدعامات النانوية المصنوعة من السيراميك يمكن أن تكون خفيفة جداً -لأنها غالبيتها مكونة من الهواء - وقوية للغاية.

في عام 2011، وبالتعاون مع الباحثين في مختبرات (HRL) وهي شركة أبحاث هندسية خاصة، صنعت جرير واحدة من أخف المواد على الإطلاق، وهي شبيكة دقيقة من أنابيب معدنية مجوفة. وفي وقت لاحق قررت غرير أن تختار التحدي الأكبر وذلك بصنع سيراميك بخصائص مماثلة. وهذا يتطلب معايرة دقيقة للهياكل على المستوى النانوي، مما يجعل إنتاج هذا النوع من المواد أكثر صعوبة.

ولصنع السيراميك ذو العوارض النانوية استخدم مختبر غرير تقنية تسمى الطباعة باستخدام التدخل ثنائي الفوتون. إي أنها تقارب طابعة ليزرية ثلاثية الأبعاد المنخفضة العائد. في البداية استخدم فريق جرير هذه الطريقة لإنشاء البنية المطلوبة، وهي شبيكة من البوليمر. تم تغليفها بنوع من السيراميك كالألومينا. ثم تم حفر البوليمر بواسطة بلازما الأكسجين، للوصول إلى شبيكة من أنابيب السيراميك الجوفاء.

وقد أفاد مختبر جرير أنه من خلال تغيير سماكة جدران الأنابيب، فإنه من الممكن التحكم في كيفية تحطم المواد. فعندما تكون الجدران سميكة سيتحطم السيراميك تحت الضغط كما هو متوقع. ولكن عندما تستخدم دعامات ذات جدران بسماكة 10 نانومتر أو أرق، فسوف ينثني السيراميك تحت الضغط ومن ثم يستعيد شكله بعد زوال الضغط.

يقول "كريستوفر سباداتشيني"، وهو مهندس متخصص في تصنيع المواد في وزارة الطاقة الأمريكية في مختبر لورانس ليفرمور الوطني للطاقة في ولاية كاليفورنيا "إنك لا تتوقع لهذه المواد أن تسترد شكلها – بل تتوقع لها أن تكون هشة وقابلة للكسر".

هذه المواد الجديدة قد تكون مثيرة للاهتمام وبشكل خاص عند استخدامها في البطاريات، كما يشير "نيكولاس فانغ"، وهو مهندس ميكانيكي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذي يعمل أيضا على السيراميك ذو البنية النانوية. إلى أن البنية النانوية تتمتع بخفة الوزن و مساحة سطح عالية جدا ، الأمر الذي يسمح بصنع بطاريات ذات شحن سريع حيث يتم تخزين الكثير من الطاقة في غلاف مريح. و علة ارض الواقع تقول جرير أنها تتعاون مع شركة الإلكترونيات الألمانية بوش (Bosch) لتطبيق تصاميمها على بطاريات ليثيوم الهواء (lithium-air)

المصدر : هنا

مصدر الصورة :

هنا

هنا