طور فريق بحث دولي بقيادة جامعة Kiel طريقة جديدة لتوليد انفجارات كهربائية يمكن التحكم فيها. من الناحية النظرية، لا يتطلب الأمر سوى 450 جرامًا من هذه المادة لرفع الفيل.
مادة الجرافين الهوائي “Aerographene” تدين بهذه القدرة إلى بنيتها الفريدة على مستوى النانو. تشبه الرغوة السوداء بصريًا، فهي تتكون في الواقع من شبكة أنبوبية دقيقة التنظيم تعتمد على الجرافين مع العديد من التجاويف. وهذا يجعله مستقرًا للغاية وموصلًا وخفيف الوزن تقريبًا مثل الهواء. اتخذ فريق بحث دولي بقيادة علماء المواد من جامعة كيل (CAU) الآن خطوة كبيرة نحو التطبيقات العملية. لقد نجحوا بشكل متكرر في تسخين وتبريد الهواء الجوي والهواء الموجود بالداخل إلى درجات حرارة عالية جدًا في فترة زمنية قصيرة للغاية. يتيح ذلك استخدام مضخات قوية للغاية لتطبيقات الهواء المضغوط أو تعقيم مرشحات الهواء في صورة مصغرة. ظهر المقال كقصة غلاف في العدد الحالي من المجلة العلمية الشهيرة “مواد اليوم”.
“عندما قدمنا هذه المواد أول مرة، كانت أخف فئة من المواد في العالم حتى الآن، بكثافة 0.2 مليغرام فقط لكل سنتيمتر مكعب. لأنه عمليا مكون هوائي، أطلقنا عليها اسم” المواد الجوية “، هذا ما يقوله راينر أديلونج. أستاذ المواد النانوية الوظيفية في جامعة كاليفورنيا الذي قام بتطوير هذه المواد، التي تم تقديمها أول مرة في عام 2012، مع زملائه في جامعة هامبورغ للتكنولوجيا. أثارت الخصائص الرائعة للمواد الجوية اهتمامًا عالميًا وتم بحثها بشكل مكثف منذ ذلك الحين ضمن مبادرة البحث الأوروبية الرئيسية “الجرافين الرائد”.
تقدم هذه الدراسة الجديدة مساهمة في كيفية انتقال المواد الجوية من البحث الأساسي إلى التطبيق. اكتشف علماء المواد في Kiel ، مع زملائهم من Technische Universität Dresden وجامعة جَنُوب الدنمارك وجامعة ترينتو وجامعة كوين ماري بلندن، المزيد من الخصائص التي تمكن من ابتكارات في علم الهواء المضغوط أو الروبوتات أو تكنولوجيا تصفية الهواء.
يمكن تسخين “أيروجرافين” وتبريده بسرعة كبيرة
“في تجاربنا ، وجدنا أن المواد الهوائية المصنوعة من الجرافين والمواد النانوية الموصلة الأخرى، يمكن تسخينها كهربائيًا بسرعة فائقة تصل إلى عدة مئات من الدرجات لكل مللي ثانية بسبب كثافتها المنخفضة”. يشرح الدكتور فابيان شوت من جامعة كاليفورنيا، الذي قاد التجارِب مع الدكتور فلوريان راش. للقيام بذلك، استخدم علماء المواد مادة “الهواء الجوي”، التي تتكون من طبقات قليلة فقط من ذرات الكربون و99.9٪ من الهواء. عند تسخينه، يتم أيضًا تسخين الهواء الموجود داخل المادة بسرعة كبيرة ويتمدد. وعند المزيد من التسخين السريع، تحدث زيادة في الحجم وهو ما يؤدي إلى “انفجار”. “هذا يعني أننا الآن قادرون على استخدام أيروجرافين لبدء انفجارات صغيرة يمكن التحكم فيها وتكرارها من غير تفاعلًات كيميائيًة”، يقول شوت ملخصا النتائج التي توصلوا إليها.
هذا لأنه بمجرد تسخينه تقريبًا، يبرد الهواء مرة أخرى بمجرد إيقاف تشغيل مصدر الطاقة. بالكاد يمكنه تخزين أي حرارة بسبب سعته الحرارية المنخفضة للغاية عبر هيكل شبكته، فإنه يطلقها بسرعة كبيرة مرة أخرى في الهواء المحتوي فيه”. يواصل شوت شرحه. التسخين والتبريد السريع للمادة يتيح للباحثين البَدْء في عدة انفجارات في الثانية الواحدة تباعا. “يمنحنا هذا هواءً مضغوطًا قويًا للغاية بضغطة زر واحدة، بدون استخدام أجهزة الضغط وإمدادات الغاز التي تتطلب في الحالات الطبيعية،” هذا ما أوضحه أديلنوغ.
يستخدم العلماء هذا التأثير لتطوير مضخات جديدة يمكن تعديلها على وجه التحديد بالإضافة إلى مشغلات عالية الأداء في شكل مصغر. يوضح راش، الذي أكمل مؤخرًا أطروحة الدكتوراه حول هذا الموضوع. في تجاربهم، تمكن المؤلفان الأولان، شوت وراش، من إظهار أنه حتى كمية صغيرة من الأجسام الهوائية التي تكون أثقل عدة مرات يمكن تحريكها. على سبيل المثال، كانت 10 مليغرام من الأيروجرافين كافية لرفع وزن يبلغ كيلوغرامين في بضعة أجزاء من الألف من الثانية. لذلك فإن المشغلات المطورة باستخدام aerographene لها كثافة عالية من الطاقة مع المحافظة على تغييرات كبيرة الحجم.
“على عكس التفاعلات الكيميائية، يمكن التحكم في هذه الانفجارات الكهربائية الصغيرة على وجه التحديد وهي أيضًا نظيفة جدًا. بواسطة تغيير مدة وقوة الإمداد الحالي، يمكننا التحكم في دقة تواتر وقوة الانفجارات الهوائية،” يقول راش. بفضل خاصية التوصيل العالية للمواد الجوية، يحتاج اﻷمر فقط إلى كمية صغيرة من الكهرباء لهذا الغرض. في التجارِب التي أجريت في Kiel، صمدت المادة 100000 دورة حتى الآن، وتم بالفعل تسجيل براءة اختراع.
يمكن استخدامه أيضًا كمرشحات هوائية ذاتية التنظيف ضد البكتيريا
كمثال على التطبيقات، تعمل مجموعة الأبحاث حاليًا على تطوير مواد وأنظمة جديدة لمرشحات الهواء تعتمد على الجرافين الهوائي “aerographene” بالتعاون مع موردي الطيران الألماني وبتمويل من شركة Graphene Flagship. “يمكن توجيه التيارات الهوائية بشكل جيد للغاية بواسطة بنية الشبكة المفتوحة للمادة ويمكن تسخينها بقوة لفترة قصيرة. بهذه الطريقة، يمكن تصفية البكتيريا والفيروسات، على سبيل المثال، من الهواء وقتلها “، يشرح أديلنوغ. “قد يسمح هذا لأنظمة المرشحات الهوائية الباهظة الثمن بأن تعمل بالتنظيف الذاتي والعمل بدون صيانة مستقبلا.”
مترجم بتصرف نقلا عن موقع phys.org
