علوم المواد
المواد الأكسيتية لها تطبيقات واسعة الانتشار. الخوارزميات المتقدمة الآن تجعل من السهل إنشاؤها
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
المواد الأكسيتية تنكمش وتتمدد في الاتجاه العرضي عندما تتعرض للضغط والمحور الطولي على التوالي. إنها تستجيب بطريقة تتعارض مع الفهم الشائع للمواد المرنة، وبالتالي تُظهر نسبة بواسون سلبية. تقيس هذه النسبة التشوه في الاتجاه العمودي على القوة المطبقة. على عكس المواد المرنة التقليدية، تصبح المواد الأكسيتية، عند الضغط، أرق في الاتجاه العمودي على القوة المطبقة.
أصبحت هذه المواد شائعة خلال العقدين الماضيين بفضل خصائصها المفيدة، مثل مقاومة جيدة للانكسار، ومقاومة عالية للضغط/الصدمات، ومعامل قص عالي، وقدرة جيدة على امتصاص الطاقة، وتشوه سينكلاستيكي، وإجهاد عرضي مرتفع. كما أنها تتمتع بخصائص مقاومة عالية للانبعاج وتجانس سطحي متفوق.
كل هذه الخصائص أغنت المواد الأكسيتية، مما يضمن انتشار استخدامها على نطاق واسع. في الفقرات التالية، سنستعرض بعض حالات الاستخدام في مجالات العلوم الطبية والرعاية الصحية، هندسة المركبات، هندسة الحماية، الملابس، وغيرها.
المواد الأكسيتية في الرعاية الصحية والعلوم الطبية
يُستخدم بولي إيثيلين أكسيت عالي الكثافة لتطوير أقراص فقرية اصطناعية لجراحة العمود الفقري. يمكن لهذه الأقراص الانحناء والالتواء وقد توفر أداءً بيوميكانيكيًا محسنًا مقارنةً بحلول استبدال الأقراص التقليدية. تمنع خصائصها الأكسيتية الانتفاخات التي قد تضر بالأعصاب المحيطة، مما يسمح للقرص بمحاكاة سلوك قرص الفقرات القطني الطبيعي بدقة.
تم اقتراح مسمار عمود فقري أكسيت أيضًا لتحسين التفاعل البايوميكانيكي بين العظم المحيط والمسمار، خاصةً للعمود الفقري.
ساعدت الأبحاث العلماء على تطوير دعامة شريانية ذات هندسة أكسيتية مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ من الدرجة الطبية 316L. يمكن لهذه الدعامة التوسع في الاتجاهين الشعاعي والطولي ويمكن تحسينها لقطر وطول معينين لإنشاء حجم تجويف محدد، مما يقلل من التأثير السلبي للدعامة على جدار الوعاء الدموي.
ثبتت فائدة المواد الأكسيتية في تطبيقات طبية أخرى، مثل جذوع زرعات الفخذ، تثبيت العظام الطويلة، رقع القلب، مسحات الأنف والبلعوم، النعال التقويمية، وغيرها. كما أنها ذات قيمة في هندسة الأنسجة وتصنيع الهياكل والأغشية للأجهزة الطبية المختبرية.
انقر هنا لتعرف كيف يفتح الهندسة الإضافية المتقدمة الطريق للروبوتات اللينة.
المواد الأكسيتية في هندسة المركبات
أظهرت الأبحاث الحديثة أن المواد الأكسيتية والهياكل قد توفر طريقة تصميم متفوقة تحسن خصائص امتصاص الطاقة للمصدات الأنبوبيّة ذات الجدران الرقيقة التقليدية وصناديق امتصاص الصدمات.
ستتمتع هذه الهياكل بصلابة أكبر، وميزة امتصاص الطاقة عند تصادم متوسط السرعة، ووقت عازلة أطول لامتصاص طاقة التصادم وعملية تسارع-تباطؤ الركاب. كما أنها تحقق درجات عالية من حيث سعة امتصاص الطاقة، كفاءة امتصاص الطاقة، ومؤشرات الأداء الأخرى.
اقترح أحد الباحثين في هذا المجال بشكل خاص صدامًا يتألف من هيكل عارضة ساندويتش أكسيتية وكتلة امتصاص طاقة، تم تحسينهما بواسطة خوارزمية متعددة الأهداف، مما حسّن من قدرة السيارة على الصمود أمام التصادمات الأمامية.
المواد الأكسيتية في هندسة الحماية
نشأت استخدامات الهياكل الأكسيتية في هندسة الحماية من قدرتها العالية على امتصاص الطاقة، وتحسين قوة الضغط عند الغرز، وتعزيز خصائص مقاومة القص.
ساعدت الأبحاث في اكتشاف هياكل ألواح ساندويتش خلية نحل أكسيتية يمكنها حماية هياكل الخرسانة المسلحة من الصدمات الشديدة وحمولات الانفجار القريبة.
كما أن ألواح الساندويتش الأسطوانية ذات التأثير الأكسيتى تمتلك خصائص مقاومة انفجار أقوى، ويمكن استخدامها لتصميم هياكل طائرات قوية، ومركبات فضائية، وهياكل غواصات، وخزانات وقود، وملاجئ مناجم الفحم، وغيرها من الهياكل المنحنية بكفاءة.
المواد الأكسيتية في هندسة الملابس
تساعد خاصية التمدد العرضي للمواد الأكسيتية تحت الحمل على تشكيل انحناءات مزدوجة أثناء الانحناء. تسمح هذه الخاصية للملابس المصنوعة من هذه المواد بالتكيف مع تغيرات شكل جسم الإنسان أثناء الحركة. تظهر الأبحاث أن أقمشة الأكسيتية للملابس الحوامل تُظهر تركيز إجهاد أقل مقارنةً بالبدائل التقليدية، كما أنها مريحة للارتداء.
هذا النطاق الواسع من إمكانات التطبيق أدى إلى زيادة الطلب على المواد الأكسيتية. لتلبية هذا الطلب المتزايد، طور الباحثون وصفة من ثلاث خطوات لتصميم المواد الأكسيتية حسب الطلب.
إجراء من ثلاث خطوات لإنشاء المواد الأكسيتية حسب الطلب
الباحثون في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) والجامعة في شيكاغو بذلوا جهودًا مكثفة لتسريع إدخال منتجات الأكسيتية إلى السوق.
وبشكل أكثر تحديدًا، طور هؤلاء الباحثون أداة خوارزمية تساعد في التصميم الثلاثي الأبعاد الدقيق للمواد الأكسيتية. وفقًا لكاتب الدراسة المشارك، إدوين تشان، مهندس أبحاث المواد في NIST:
“يمكننا فعليًا تحسين المادة لتتمتع بأي خصائص ميكانيكية وسلوك معين نريده.”
قدم الباحثون للعالم إطارًا موحدًا لوصف المواد الأكسيتية الثنائية الأبعاد المثالية. هذه العرض هو نتيجة لإدراك أكبر أن فهم وتحكم الحد الأكسيتى المثالي قد يسمح لنا بتصميم مواد أكسيتية واقعية ذات بنية هندسية مخصصة يبقى فيها معامل بواسون سالبًا.
أثناء توضيح الأهمية الأكبر لدراستهم، قال الباحثون ما يلي:
“نظريتنا لا توحد فئة كبيرة من المواد الأكسيتية الحالية، بما في ذلك أنظمة الوحدات الصلبة السابقة، بل تسمح أيضًا بإنشاء مجموعة واسعة منها، ذات هندسات جديدة ومتنوعة، بما في ذلك المادة الأكسيتية المتجانسة المراوغة إلى حد ما.”
نظرًا لأن الباحثين كانوا مهتمين بفهم سلوك المواد الأكسيتية المثالية، استخدموا النموذج الثنائي الأبعاد الأدنى للوحدات الدوارة. تتألف الوحدات من سلسلة من المضلعات المتصلة بنوابض ذات طول طبيعي صفر. كل وحدة صلبة لها ثلاث درجات حرية: اثنتان ترجمانيتان وواحدة دورانية. ساعد هذا النموذج في تحديد ظهور وضعية الانفلات الأكسيتية وأدخل المرونة إلى المواد بحيث يمكن دراسة السيناريوهات غير المثالية أيضًا.
نتيجة التحقيق العلمي جاءت على شكل وصفة تساعد في بناء مواد أكسيتية مثالية. ستتطلب ثلاث مكونات:
- شبكة ثنائية الطرف تسمح للوحدات بالتدوير المعاكس بالنسبة لبعضها البعض.
- في البداية وعند السكون، يجب أن تكون متجهات موضع كل زوج من المضلعات المتجاورة والرأس بينهما على خط واحد.
- يجب أن يكون النسبة بين مسافة المضلع إلى أحد رؤوسه ومسافة الجار إلى نفس الرأس ثابتة في الشبكة.
يشير الباحثون إلى أن تفرد نظريتهم يكمن في أنها ليست مقصورة على الشبكات بل يمكن تطبيقها مباشرة على الشبكات غير المنتظمة. هذا يسمح ببناء أول مواد أكسيتية مثالية متجانسة. كما أن نظريتهم يمكن توسيعها لتشمل مواد بوليhedral ثلاثية الأبعاد.
على الرغم من أن هذا البحث يمثل اختراقًا، فإن العمل على المواد الأكسيتية مستمر منذ فترة طويلة. في الفقرات التالية، سنستعرض الشركات التي تقوم بأعمال رائدة في هذا المجال.
#1. Nike
إحدى العلامات التجارية الرائدة التي قامت بأعمال متقدمة في مجال الهياكل الأكسيتية هي Nike.براءة اختراع Nike رقم US9402439B2 يتعامل مع هياكل أكسيتية تسهل بناء النعال باستخدام هياكل أكسيتية.
عادةً ما يتكون الحذاء من مكونين رئيسيين على الأقل:
- الجزء العلوي الذي يوفر الغلاف لاستقبال قدم المستخدم
- النعل المثبت بالجزء العلوي والذي يعمل كالاتصال الأساسي مع الأرض أو سطح اللعب
قد يتضمن النعل ثلاثة أقسام فرعية: نعل داخلي، نعل متوسط، ونعل خارجي. في حذاء Nike المحمي ببراءة الاختراع، يُصنع على الأقل طبقة واحدة من النعل من هيكل أكسيتى. يُشار إليها بطبقة أكسيتية.
الجري، الدوران، القفز، أو التسارع بهذه الأحذية يضع طبقة الأكسيتى تحت توتر طولي أو جانبي متزايد، مما يزيد من طولها وعرضها. وبالتالي، توفر قبضة محسنة وتمتص بعض صدمات سطح اللعب.
تعتقد Nike أن هذه الأحذية قد تكون مفيدة لمجموعة من الرياضات والأنشطة الترفيهية، بما في ذلك التنس وغيرها من رياضات المضرب، المشي، الجري الخفيف، الجري، المشي في الجبال، كرة اليد، التدريب، الجري أو المشي على جهاز المشي، والرياضات الجماعية مثل كرة السلة، كرة الطائرة، لاكروس، الهوكي الميداني، وكرة القدم.
NKE مخطط السعر
للسنة المالية الكاملة 2023، أبلغت Nike عن إيرادات قدرها 51.2 مليار دولار أمريكي، بزيادة 10٪ مقارنةً بالعام السابق وبزيادة 16٪ على أساس محايد للعملة.
#2. Airbus
حصلت Airbus Defence and Space على براءة اختراع لهياكل أكسيتية قابلة للتشوه وعملية تصنيعها. الاختراع يهدف إلى توفير حماية خفيفة الوزن ضد الصدمات عالية الطاقة في هياكل الطائرات وأنظمتها من خلال لوحة ساندويتش مدمجة واحدة تستفيد من السلوك الأكسيتى الثنائي الأبعاد في الاتجاهين اللذين يشكلان سطح اللوحة.
تقترح Airbus أن مثل هذه الحماية ستكون مفيدة للغاية في تكوينات الطائرات ذات المحركات الخلفية المتكاملة، بما في ذلك بنية Open-Rotor أو استيعاب طبقة الحدود. في هذه التكوينات، تُطلب تدابير الحماية (الدروع) بسبب مخاوف السلامة من الصدمات عالية الطاقة على هيكل الطائرة نتيجة انطلاق شفرات المروحة (PBR) وحطام المحرك (فشل دوران المحرك غير المحتوى، شظايا صغيرة والقرص الثالث).
تتميز البنية بترتيب أكسيتى يتكون من مجموعة من الخلايا الأكسيتية ثلاثية الأبعاد المتصلة والمتجاورة. يضمن هذا التصميم أنه بغض النظر عما إذا كان العنصر السطحي مسطحًا أو منحنيًا أو مكوّنًا من أسطح مستوية مختلفة، ستحقق البنية السلوكية الأكسيتية على كل من هذه الأسطح. بالإضافة إلى ذلك، ستظهر سلوكًا أكسيتيًا في أكثر من بعد واحد عمودي على الاتجاه الرئيسي للتصادم.
في عام 2023، سجلت Airbus إيرادات تزيد عن 65 مليار يورو، بزيادة ملحوظة مقارنةً بـ 58.8 مليار يورو التي حققتها في عام 2022.
إنشاء المواد الأكسيتية: ما هو شكل المستقبل
يمكن للبحث الذي فتح مناقشتنا أن يحقق العديد من الاختراقات. يمكنه توفير نموذج سهل المتابعة لإنشاء وتصميم وتوصيف المواد الأكسيتية ذات الوحدات الدوارة. كانت النماذج التي تتحقق من النظرية قوية لإجراء محاكاة مباشرة لاختبار خصائص المواد مع تجاهل قوى الانحناء. ومع ذلك، كانت النماذج قابلة لاستيعاب الانحناء إذا لزم الأمر. أدى هذا العمل إلى وضع القواعد الأساسية لإنشاء مواد أكسيتية مثالية متجانسة لم يسبق رؤيتها من قبل. كل ما كان يحتاجه هو مزيد من البحث في التحليل الديناميكي والاهتزازي.
بينما البحث والاستكشاف عملية لا تنتهي في العلوم والتكنولوجيا، يجب إجراء مزيد من التحقيق حول جدوى المواد الأكسيتية كتعزيز، خاصةً للتطبيقات الحاملة للأحمال. يتطلب تحقيق الفوائد المستمدة من الأكسيتية تشوهات مفرطة قد تتجاوز حدود الخدمة المحددة للعناصر الهيكلية تحت الأحمال الثابتة. وفي هذا الصدد، أشار الباحثون إلى الحاجة إلى تصاميم مخصصة تلبي متطلبات القوة والصلابة معًا.
في مجال التطبيقات الطبية الحيوية، تنشأ الحاجة إلى مواد أكسيتية ثلاثية الأبعاد، والتي لا يمكن تحقيقها إلا عبر عمليات التصنيع الإضافي. يجب تحسين هذه العمليات لضمان الأداء طويل الأمد للأجهزة الطبية. قد تكون العملية المتقدمة القائمة على الخوارزميات لإنشاء المواد الأكسيتية مفيدة في هذه الحالات، حيث أن معظم تقنيات الإضافة تؤدي إلى نتائج ذات توجّه غير متماثل بطبيعتها بسبب عملية الطبقة بطبقة، مما قد يؤثر على الأداء الميكانيكي للحلول.
على الرغم من بقاء هذه التحديات، يظل الباحثون متفائلين بأن بعض الاتجاهات المستقبلية، إذا تم توسيعها بنجاح، قد تؤدي إلى تبني أكثر حماسًا للمواد الأكسيتية. تشمل هذه الاتجاهات إنشاء تآزر بين الطباعة رباعية الأبعاد والهندسات الأكسيتية، وتصنيع مواد وآليات الذاكرة الشكلية، وغيرها.
قد تجد المواد الأكسيتية أيضًا استخدامًا متزايدًا في المواد الحيوية المختلطة، حيث يمكن لهياكل الأكسيتية المستعمرة بالخلايا أن تؤدي إلى مشغلات أكثر استقلالية. وفقًا للباحثين، فإن هذه المواد قادرة على التفوق على المواد والهياكل “الذكية” الحالية، النشطة أو المتعددة الوظائف.
أحد أبرز أمثلة استخدام المواد الحيوية المختلطة هو في شكل ميكروبوتات ذات هيكل أكسيتى وآليات تُشغل بواسطة خلايا حية. يمكن استخدام هذه الحلول، خاصةً الخلايا القلبية أو العضلية التي تُنشّط بالتحفيز الكهربائي، كمشغلات جراحية في المستقبل.
في المجمل، تقدم لنا المواد الأكسيتية حقلًا واسعًا من الفرص. كل ما تحتاجه هو مزيد من البحث والموارد لتوسيع نطاقها وتوفير حلول قابلة للتنفيذ تدوم لفترة طويلة جدًا.
