من الطيران إلى التطبيقات المنزلية، مقاييس أُكسيتية متقدمة جاهزة للاستخدام الواسع

تختلف المواد الأُكسيتية عن المواد الكلاسيكية في أنها تُظهر نسب بواسون سلبية. بعبارة أخرى، تحت القوة الشدية المطبقة في الاتجاه الطولي، تتمدد الأُكسيتيات في الاتجاه العرضي المتعامد. 

يواصل العلماء البحث عن خصائص أُكسيتية في المواد. مؤخرًا، طور نوح ستوستيك، طالب دكتوراه يتعاون مع العالم الفيزيائي الغربي Giovanni Fanchini طور واحد من هذه المواد النانوية. 

أوراق نانوية أُكسيتية ثنائية الأبعاد

عمل كلا العالمان في Interface Science Western لتطوير أوراق نانوية ثنائية الأبعاد من كربيد التنجستن شبه الكربوني، المعروف أيضًا باسم W2C. هذه مركبات كيميائية تحتوي على نسب متساوية من ذرات التنجستن والكربون. وفقًا لخصائص المواد الأُكسيتية، تتمدد هذه المواد النانوية بشكل عمودي على القوة المطبقة عندما تُشد في اتجاه واحد. 

يُعد هذا التطوير مهمًا لأنه يُعد المادة الثانية فقط التي تتمدد بشكل ملحوظ بطريقة تعاكس المواد الكلاسيكية. قبل ذلك، كان هناك مادة واحدة فقط تم الإبلاغ عنها يمكنها التمدد بنسبة 10٪ لكل وحدة طول بشكل غير بديهي. المادة النانوية الحالية، ورقة كربيد التنجستن شبه الكربوني، يمكنها التمدد بنسبة 40٪. إنه رقم قياسي عالمي جديد. بينما يشرح إنجاز هذا التطوير، قال ستوستيك: 

“في عام 2018، توقع النظريون أن هذه المادة قد تُظهر هذا السلوك بمستوى ممتاز، لكن لم يتمكن أحد من تطويرها، رغم المحاولات المكثفة من قبل مجموعات بحثية حول العالم.”

لتوضيح ما طوره ستوستيك وفانشيني بمزيد من التفصيل، أبلغا علميًا وتجريبيًا عن نظام ترسيب بلازما عن بُعد مزدوج المنطقة صُمم خصيصًا يمكنه نمو كربيدات التنجستن خارج التوازن الحراري الديناميكي بنسب مُضبوطة جيدًا من سوابق W و C. أبرز البحث الظروف المحددة التي سمح فيها هذا النظام بتصنيع شقائق من كربيد التنجستن شبه الكربوني ذات طبقات قليلة (FL-W2C). كانت هذه الشقائق ثنائية الأبعاد بطبيعتها، لأنها يمكنها الحفاظ على دوريتها على المستوى المتوسط في عملية نمو سترانسكي–كراستانوف.

تحول جديد من الوسائل الكيميائية إلى فيزياء البلازما

حددت الثنائي المطور في مرحلة مبكرة جدًا من عمليتهما أنه من المستحيل بناء مادة نانوية جديدة من كربيد التنجستن شبه الكربوني باستخدام الوسائل الكيميائية. نتيجة لذلك، انتقلا إلى فيزياء البلازما، بهدف تشكيل طبقات من ذرات مفردة. 

لإجراء تطوير المادة النانوية بالاعتماد على طرق البلازما، ابتعد الثنائي المطور عن المسار التقليدي المتمثل في وجود أفران خاصة يمكن فيها تسخين الغازات إلى درجات حرارة عالية لتتفاعل كيميائيًا وتكوين المادة. صمما نظامًا مخصصًا جديدًا لإنتاج البلازما، يحتوي على جسيمات مشحونة كهربائيًا. 

تطبيقات المادة النانوية المطورة حديثًا

إحدى أكثر التطبيقات المحتملة فائدة لهذه الأوراق النانوية قد تكون نوعًا جذريًا جديدًا من مقاييس الإجهاد. يمكن لهذه المقاييس قياس التمدد بطريقة فعّالة وتمتد في كل شيء، من أجنحة الطائرات إلى أنظمة السباكة المنزلية.

نظرًا لأن هذه المواد أكثر توصيلًا كهربائيًا، يمكن استخدامها في حساسات أو أجهزة للكشف عن التغييرات والتحولات في البيئة. ليس فقط يمكنها الكشف عن هذه المواد، بل بفضل قدراتها كـ’حساس’، يمكنها أيضًا إرسال المعلومات إلى إلكترونيات أخرى. 

أثناء توضيحه أحد التطبيقات المحتملة، قال ستوستيك: 

“تخيل أنك تريد معرفة ما إذا كان أنبوب في منزلك يتشوه ويخاطر بالانفجار في مرحلة ما. يمكنك تثبيت حساس على الأنبوب مصنوع من هذه المادة النانوية الثنائية الأبعاد ثم استخدام حاسوب لمراقبة التيار المار عبره. إذا ارتفع التيار، فهذا يعني أن الأنبوب يتمدد ويخاطر بالانفجار.”

في المستقبل، سيؤدي المزيد من التطوير لخصائص الأُكسيتية في مادة ما بالتأكيد إلى حلول جديدة. حاليًا، شركات مثل Michigan Scientific Corporation و Omega متعمقة في تصنيع وتطوير مقاييس الإجهاد. يمكن لهذه الشركات البدء في الاستفادة من هذا التطوير والمادة النانوية المنتجة كنتاج لتوسيع محفظة منتجاتها/حلولها. 

#1. Omega

Omega، علامة DwyerOmega، يمكنها الاستفادة من المادة النانوية لتعزيز خط إنتاج مقاييس الإجهاد القوي والمتنوع لديها. يمكن لمقاييس الإجهاد ذات الحجاب الحاجز قياس الإجهاد والضغط في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الضغط، القوة، الإزاحة، والإجهاد في المعادن، البلاستيك، والمركبات. يساعد خط إنتاج مقاييس الإجهاد المزدوج المتوازي على قياس إجهاد الانحناء بشكل موثوق في مجموعة متنوعة من التطبيقات. 

تقدم Omega أيضًا مقاييس إجهاد الالتواء والقص، ومقاييس إجهاد خطية، ومقاييس إجهاد على شكل T-rosette، ومقاييس إجهاد على شكل rosette. مع حدود دقيقة لتسهيل المحاذاة، توفر مقاييس Omega أداءً موثوقًا واستقرارًا طويل الأمد. تُظهر مقاييس الجسر الكامل والنصف جسر خطية ممتازة مع توافق مع نطاق واسع من درجات الحرارة. 

يمكن لمقاييس T-Rosette الخاصة بها قياس تأثيرات الحرارة، الحمولة، والاهتزاز على المكونات. هي مفيدة بشكل خاص في قياس الإجهاد الثنائي المحور مع اتجاهات رئيسية معروفة.

الشركة في موقع مثالي إما لتطوير خط إنتاج جديد قائم على مقاييس أُكسيتية أو لتوسيع خط إنتاجها الحالي بخصائص أُكسيتية. 

ظهر DwyerOmega كعلامة تجارية بعد Dwyer Instruments, Inc. اتفق على الاستحواذ على OMEGA Engineering, Inc. من Spectris plc (LSE:SXS) مقابل حوالي 530 مليون دولار في 19 أبريل 2022. دفعت Dwyer 525 مليون دولار بتقييم يقارب 20.4× من EBITDA المعدل لـ Omega لعام 2021. في السنة المالية 2021، حققت Omega مبيعات بقيمة 129 مليون جنيه إسترليني (168 مليون دولار) وEBITDA معدل بقيمة 19.7 مليون جنيه إسترليني (25.7 مليون دولار).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation، شركة خاصة مقرها في شارلفوا، ميشيغان، الولايات المتحدة، معروفة بتقديم مجموعة من الخدمات الهندسية والمنتجات والحلول. أحد المجالات التي يمكن لهذه الشركة الاستفادة فيها بذكاء من هذا التطوير هو خدمات مقاييس الإجهاد. 

الشركة متخصصة في تصميم وإنشاء محولات مقاييس إجهاد مخصصة، والتي يمكن استخدامها في مجموعة من الحالات، بما في ذلك قياس قوى تعليق المركبات، عزم دوران نظام الدفع، قوى مكونات التوجيه، أحمال المحرك والمحركات، وعزوم الفرامل على المركبات في الميدان. 

تشمل حلول Michigan محولات عزم العمود، محولات عمود المرفق، محولات دبوس القص، ومنتجات لقياس إجهاد نصف العمود، وإجهاد عمود القيادة، وإجهاد القوة المحورية، والمزيد. 

تشمل تطبيقات هذه الحلول في مجال الأجهزة اللوحية مراقبة اللوحات الدائرية لتتبع الإجهاد، وألواح أبواب غرف الحرارة التي تُراقب للتشوه أثناء التصنيع، وأعمدة القيادة الصناعية المجهزة بالكامل. تجمع هذه الحلول أيضًا وتُحلل البيانات المستخلصة من المشاريع التي تُنشر فيها. 

لقد رأينا بالفعل أن قدرات ‘الحساس’ لمقاييس الإجهاد المطورة حديثًا تضيف إلى قيمتها. سيكون هذا إضافة قيمة لـ Morgan Scientific Corporation أيضًا، التي تعمل في مجال تركيب مقاييس الإجهاد في مواقع العملاء لتجهيز مكونات العملاء وتسجيل البيانات لدعم مجموعة من أنشطة الاختبار والتطوير. 

تقدمات حديثة هامة أخرى في الأُكسيتات

الأُكسيتات في الإنشاءات المدنية

وفقًا لتقارير نشرت في International Journal of Protective Structures، تُستخدم المواد الأُكسيتية بشكل متزايد في المجالات المتعلقة بالهندسة المدنية. يمكن دمجها مع المواد الإسمنتية بأشكال متعددة، بما في ذلك مركب رغوة-ملاط، مركب قماش-ملاط، ومركب إسمنت معزز بالألياف. 

تثبت طبقات الرغوة الأُكسيتية، على سبيل المثال، فائدتها في تجديد الجدران الطينية الهشة تحت الضغط. إنها تزيد بشكل كبير من تأثير صلابة ما بعد الخضوع للتمدد في المركب الإسمنتي.

توفر الأقمشة الأُكسيتية صلابة قص أعلى ومتانة كسر ملحوظة. نتيجة لذلك، تُعد هذه المركبات مفيدة في التغلب على التحديات التي يفرضها انخفاض قوة الضغط لمركب رمل الإسمنت الأُكسيتية (AFM)، الذي يتميز بهيكل مسامي وكثافة منخفضة.

تحل مركب الإسمنت المعزز بالألياف الأُكسيتية العديد من عيوب المواد الإسمنتية التقليدية، بما في ذلك ضعف الليونة، نقص القوة الشدية، وكذلك انخفاض متانة الكسر.

الأُكسيتات في الألياف

يمكن استخدام الألياف الأُكسيتية في مجموعة من المجالات، بما في ذلك المواد المركبة، الملابس الواقية الشخصية، التنجيد، الحبال، الخيوط، شباك الصيد، وأكثر من ذلك. تشمل الخصائص التي تمكّن الألياف الأُكسيتية هذه المجالات القدرة على مقاومة سحب الألياف، متانة كسر الألياف، امتصاص الطاقة، مقاومة الكثافة والضغط، مقاومة الصدمات، وغيرها.

الأُكسيتات في المجال الطبي 

يمكن للأُكسيتات أن تسهم بشكل كبير في الفروع الطبية من الأطراف الصناعية، الزرعات الجراحية، مراسيم/عضلات/أربطة، وحتى الموسعات التي تساعد على فتح الأوعية الدموية أثناء جراحة القلب. 

الأُكسيتات في تحسين جودة المواد الكهروضغطية

يمكن بناء أقطاب من معادن أُكسيتية. يمكن لهذه الأقطاب العمل عن طريق وضع بوليمر كهرضغطية بين طبقتين أو إدماج قضبان سيراميك كهرضغطية في مصفوفة بوليمر أُكسيتية. لديها قدرة تعزيز كبيرة لأداء المواد الكهضغطية ويمكنها زيادة حساسية الجهاز على الأقل بضعف وربما حتى بمئة مرة.

استخدام الأُكسيت في الفلاتر

تنظيف الفلاتر المتسخة ممكن باستخدام فلاتر رغوة أُكسيتية وفلاتر خلية النحل. على وجه التحديد، تساعد الشمولات الأُكسيتية على تعديل مسام الفلتر إلى حجم وشكل فعالين. كما تعوض عن تأثيرات تراكم الضغط في الفلتر المتسخ. يمكن للفلتر الأُكسيت أن يفتح المسام في كلا الاتجاهين—على طول وعرض اتجاه الحمل الشدي.

تصميم مواد أُكسيتية حسب الطلب

كما توضح الأقسام أعلاه، يتوسع استخدام الأُكسيتات المتقدمة بسرعة ويتنشر يوميًا إلى مجالات تطبيق جديدة. لمواجهة هذا الطلب، أجرى الباحثون بالفعل دراسات قيمة حول تصميم مواد أُكسيتية حسب الطلب.

في عام 2022، نشر بحث بعنوان ‘وصفة ثلاثية الخطوات لتصميم مواد أُكسيتية حسب الطلب‘ حيث وضع الباحثون إطارًا موحدًا لوصف أُكسيتات ثنائية الأبعاد المثالية مع إمكانية استخدامها في تصميم مواد جديدة. 

استند البحث بشكل كبير إلى الصلة الطبيعية بين الوحدات الصلبة الدوارة وأنظمة السبين المضادة للفرومغناطيسية. كما أوضح الباحثون الشروط التي تسهل ظهور وضعية مرنة غير تافهة تسبب السلوك الأُكسيت.

أشار البحث إلى ثلاثة تصاميم لأُكسيتات جديدة: بلورة غريبة، كريستال كوينس بيرنوس، وأُكسيت متساوي الاتجاهات طالما كان مطلوبًا. ادعى البحث أن أُكسيتية هذه التصاميم يمكن أن تظل قوية تحت اضطرابات هيكلية صغيرة، تم التحقق منها عبر تجارب ومحاكاة عددية. 

مثَّل النظرية كل تصميم بنموذج حد أدنى. كانت هذه النماذج مستندة إلى مضلعات ونوابض يمكنها التقاط الاستجابة الجماعية الأساسية لهذه النماذج للأحمال الخارجية. 

كان الباحثون يأملون أن تُحاكى هذه النماذج مباشرة لاختبار خصائص المواد مع تجاهل قوى الانحناء. إنجاز مهم آخر لنتائج البحث كان في قدرته على تعميم سلوك جدران المجال الأُكسيتية والأنسجة الطبيعية التي تمتلكها هذه الأنظمة بفضل تشابهها مع الأنظمة المغناطيسية.

أخيرًا، ادعى المشاركون في البحث أنه إنجاز رائد لأنه يمكن أن يضع القواعد الأساسية لإنشاء أُكسيتات متساوية الاتجاهات لم تُرَ من قبل. كانوا أيضًا يأملون أن يُطبق البحث في إنتاج مواد بوليhedral ثلاثية الأبعاد.

انقر هنا لتتعرف على إمكانات الطباعة ثلاثية الأبعاد على النطاق النانوي.

المستقبل القريب للأُكسيتات المتقدمة

لقد ثبت الآن بلا شك أن هياكل الأُكسيت انتقلت من مرحلة التصميم الواحد إلى حلول مخصصة يمكنها خدمة مجموعة من الوظائف. شهد تطورها أنماط 2D عنصرية متنوعة، وهياكل هجينة، وترقيات أبعاد مبتكرة موجهة للأداء. كما شهد توسعًا في قائمة المواد التي قد تحتوي على خصائص أُكسيتية مدمجة. تشمل قائمة المواد المتوافقة الآن البوليمرات، السيراميك، المعادن، المواد الحيوية، الأسمنت، الأنسجة، والمركبات الإسمنتية.

نماذج هيكلية متنوعة ونماذج تصنيع عامة – كلاهما شهد تحسينات، مما أدى إلى سلوك أُكسيت للمواد ذات الصلابة العالية. الباحثون والتقنيون أيضًا ينظرون إلى خصائص إعادة توزيع الإجهاد للمواد الأُكسيتية. 

ومع ذلك، لكي تصبح الأُكسيتات أكثر تقدمًا، يجب التغلب على بعض التحديات. على سبيل المثال، الأداء تحت تأثير الصدمات عالية السرعة وآليات التشوه والفشل تحتاج إلى مزيد من التدقيق. هناك حاجة إلى مزيد من العمل على تنفيذ مقاومة الصدمات. قد يجعل الاهتمام الكافي بهذه الجوانب الأُكسيتات ميزة علمية وتكنولوجية ذات قيمة هائلة في الحياة اليومية.

انقر هنا للحصول على قائمة بخمس شركات رائدة في تطوير تكنولوجيا النانو.

الأُكسيتات هي ميزة علمية وتكنولوجية ذات قيمة هائلة في الحياة اليومية.