من الطرق إلى السماء – يمكن أن يُشير “الخياطة النانوية” إلى موجة من المركبات الجيل التالي

دراسة نُشرت في المجلة العلمية ACS Applied Materials and Interfaces تقدم طريقة مبتكرة لربط المواد المركبة معًا تسمى الخياطة النانوية. هذا العملية تجمع بين طبقات من الألياف الكربونية الرقيقة لإنشاء رابطة شبيهة بالفيلكرو بين الطبقات. النتيجة هي مادة أكثر متانة وخفة يمكنها تحمل البيئات القاسية. هنا ما تحتاج إلى معرفته حول الخياطة النانوية وكيف يمكن أن تغير العالم الذي تعيش فيه.

ما هي الخياطة النانوية؟

الخياطة النانوية هي عملية ربط طبقات المواد المركبة معًا باستخدام أنابيب كربونية رأسية محاذاة نمت في المختبر. هذه الأنابيب المجوفة يتم إنشاؤها باستخدام عملية ترسيب بخار كيميائي خاص.

الкарبون يقع على السطح كغابة دقيقة من الأنابيب النانوية. يمكن أن تؤدي هذه الأنابيب الدقيقة إلى مليارات من الربط عندما توضع بين طبقات من الألياف الكربونية الرقيقة. هذه الطبقات الرقيقة لها عرض حوالي 50 ميكرومتر فقط. هذا العرض هو ثلث شعر للقياس.

الغابة الرقيقة ترتبط بنفسها مثل الفيلكرو لإنشاء اتصال موحد ومتين. يمكن أن يكون لهذا القوة الإضافية تأثيرات عبر عدة صناعات. كما أن أي صناعة تستخدم المواد المركبة يمكن أن تستفيد من هذه التكنولوجيا وتستفيد منها للحفاظ على الصلابة الهيكلية.

المشاكل التي تساعد الخياطة النانوية في حلها

هناك العديد من المشاكل التي يمكن أن تساعد الخياطة النانوية في حلها. على سبيل المثال، يمكن أن تحتوي المواد المركبة على شقوق دقيقة داخل طبقاتها التي يصعب العثور عليها. يمكن أن تتوسع هذه الشقوق فجأة وتسبب انفصال الطبقات أو تكسيرها.

الخياطة النانوية تحل محل الطريقة الحالية لربط الطبقات معًا. منذ أن لها العديد من نقاط الاتصال الموحدة، لا تنتشر التمزقات والتمزق والشقوق بسهولة مقارنة بطبقة من الغراء المجفف. كما أن الخياطة النانوية يمكن أن يكون لها تأثير كبير على متانة ووزن المواد المركبة في المستقبل.

الانفصال

الانفصال هو مصطلح يُشير إلى إمكانية انفصال طبقات المواد المركبة. الانفصال هو مشكلة جدية عندما يكون لديك مواد متعددة متصلة عبر مواد لاصقة. كل طبقة تضيف المزيد من فرص الانفصال في العملية الحالية. توفر الخياطة النانوية حلاً أكثر متانة ومتينًا للصناعين.

صعب التفتيش

يمكن أن يكون من الصعب كشف التلف الداخلي للمواد المركبة. كل طبقة تضيف تعقيدًا إضافيًا للعملية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتفاعل مادة مركبة واحدة بشكل مختلف عن الطبقات الأخرى في ظل ظروف مختلفة. عندما يحدث ذلك، لا توجد أي علامات ظاهرة.

تضيف الأنابيب النانوية قوة بين الطبقات عبر مليارات من نقاط الاتصال. يمكن أن تساعد هذه العملية في تقليل الحاجة إلى كشف هذه الشقوق لأنها لن تنتشر أو تفشل بشكل كبير. يمكن العثور عليها وتصليحها بأمان باستخدام الخياطة النانوية لإصلاح أي إصلاحات.

الضعف الهيكلي

كل هيكل له نقاط أضعف من غيرها. يرى المهندسون الخياطة النانوية كطريقة مثالية لتعزيز النقاط الرئيسية لخلقهم. تخيل المواد المركبة المخيطة النانوية حول البراغي أو مناطق الحمل الثقيل. يمكن أن يجعل الدعم الخفيف هذه المباني أكثر أمانًا.

عمليات التصنيع

الطريقة الحالية لربط طبقات المواد المركبة غير فعالة. القضاء على استخدام المواد اللاصقة وربط هذه الطبقات على مستوى جزيئي هو خيار أفضل يوفر نتائج موثوقة. بالإضافة إلى ذلك، تكون العملية أسهل في التنفيذ مقارنة باستخدام المواد اللاصقة لربط الطبقات.

مهندسو MIT

كان مهندسو MIT وراء هذا المشروع المفيد. Included في الفريق كانوا Carolina Furtado و Reed Kopp و Xinchen Ni و Carlos Sarrado و Estelle Kalfon-Cohen و Pedro Camanho. تم قيادة الفريق من قبل أستاذ علوم الطيران والفضاء بрайان واردل. يُلاحظ أن واردل هو مدير Necstlab الذي يختص في المواد المركبة.

الاختبار

تتناول ورقة البحث بالتفصيل عملية الاختبار والنتائج. تم قيادة مرحلة الاختبار بواسطة Carolina Furtado. Furtado هو خبير في هذا المجال وساعد في إنشاء نماذج متقدمة لتخفيف التصدع.

تم إجراء الاختبار على مادة مركبة متقدمة سمكها 3 ملم فقط. ومن المثير للإعجاب أن الباحثين قد خيطوا 60 طبقة من الأوراق البوليمرية لاختبار متانة الشق.

تطبيقات الخياطة النانوية

هناك العديد من سيناريوهات الاستخدام التي يمكن أن يكون لها تأثير فوري. لا تزال عدد الصناعات والسلع التي تستخدم المواد المركبة في توسع. كما أن هناك طلبًا على خيارات أخف وأكثر متانة. هنا بعض الصناعات التي يمكن أن يؤثر عليها الخياطة النانوية قريبًا.

الصناعة الجوية

الصناعة الجوية لها الكثير لتحقيقها من تحسين المواد المركبة. أصبحت هذه المواد واحدة من الطرق الرئيسية التي يقلل بها المصنعون من الوزن ويتحسين المتانة. بعض المواد المركبة يمكن أن تعكس موجات الرادار والمزيد.

يمكن أن تمكن الخياطة النانوية المصنعين من إنشاء هياكل جوية قيمة عالية. ستكون طائرات المستقبل أخف وأكثر كفاءة في استهلاك الوقود. سوف يستفيدون من أقوى وأخف المواد لتحسين عمر البطارية والمتانة.

الهندسة المعمارية

تفتح الخياطة النانوية الباب لتحسين المباني والبنية التحتية. تخيل المنازل المطبوعة ثلاثي الأبعاد التي يمكن أن تتحمل الطقس القاسي. يمكن أن يساعد استخدام المواد المركبة في إنشاء هياكل متقدمة مثل الجسور في جعل السفر أكثر أمانًا للجميع.

الصناعة السيارة

السيارات الكهربائية هنا ولكن واحدة من أكبر عيوبها هو عمر البطارية. سوف يساعد تقليل وزنها في توسيع عمر البطارية أكثر ويجعل السيارات الكهربائية أكثر جاذبية للعملاء. بالفعل، شركات مثل TESLA تدمج المواد المركبة لتحسين المتانة وتحسين عمليات التصنيع.

إنتاج الطاقة وتخزينها

سوف تجعل الخياطة النانوية إنتاج الطاقة أكثر كفاءة. تخيل توربينات هواء خفيفة أو لوحات شمسية يمكن أن تتحمل المزيد من الأضرار قبل الفشل. سوف تكون أسهل في التركيب وقادرة على تحمل حمل أكبر من النماذج الحالية مما يؤدي إلى كفاءة وأمان أفضل.

الهندسة البحرية

الاستكشاف تحت الماء هو صناعة أخرى عملت طويلاً مع المواد المركبة لإنشاء التصاميم البحرية الأكثر كفاءة. يمكن أن تساعد الخياطة النانوية البشر على النزول إلى أعماق أكبر من أي وقت مضى من خلال تمكين المهندسين من إنشاء هياكل بحرية يمكنها تحمل الضغط الهائل في أعماق المحيط.

الروبوتيات

الصناعة الروبوتية دائمًا ما تبحث عن المواد الأخف والأكثر متانة. يمكن أن تجعل دمج المواد المركبة المخيطة النانوية الروبوتات أخف وتسافر إلى مسافات أكبر. كما يمكن أن تساعد الروبوتات المتقدمة على أن تصبح أكثر قابلية للنقل ومتاحة لسوق العالم.

يمكن أن يرى مجال الروبوتات البيوهايدريد تحسنًا من المواد المركبة الخفيفة. هذه الروبوتات تستفيد من المواد العضوية المدمجة مع المكونات الدقيقة الخفيفة. سوف توفر الخياطة النانوية طريقة متينة لربط مكونات الروبوت الصغيرة.

الشركات التي يمكن أن تستفيد من الخياطة النانوية

هناك العديد من الشركات التي يمكن أن تزيد من الإيرادات وتحسن المنتجات بفضل الخياطة النانوية. هذه الشركات تنتشر عبر الصناعات من الرعاية الصحية إلى التطبيقات العسكرية. هنا بعض الشركات التي يمكن أن تشهد تحسنًا فوريًا إذا دمجت الخياطة النانوية في نماذج أعمالها.

Owens Corning

(OC )

Owens Corning هي أكبر شركة لتصنيع المواد المركبة الزجاجية في العالم. هذه الشركة التي تتخذ من أوهايو مقرًا لها تأسست في عام 1935 وتم بثها عام 1955. في عام 1985، وسعت الشركة موقعها السوقي بعد الاستحواذ على مجموعة المعادن الجوية والاستراتيجية. اليوم، تملك Owens Corning أكثر من 30 منشأة لتصنيع المواد المركبة.

يمكن لشركة Owens Corning استخدام الخياطة النانوية لتعزيز دخولها إلى سوق الطيران. يمكنهم توفير مكونات أكثر متانة وتعزيز موقفهم. بالإضافة إلى ذلك، يمكنهم إجراء المزيد من الأبحاث حول المواد التي تثبتها الخياطة النانوية بشكل قوي.

Teijin Limited

Teijin Limited هي شركة يابانية لتصنيع المواد المركبة والراتنجات والبلاستيك والألياف. تأسست الشركة في عام 1918 وتبقى رائدة في سوق المواد المركبة. حاليًا، تملك الشركة أكثر من 20 ألف موظف عبر 20 دولة من دول العمل.

الخياطة النانوية تتوافق مع Teijin لأنها سوف تحسن العديد من منتجاتهم. يمكن للشركة دمج هذا النوع من ربط المواد المركبة على العديد من المنتجات الحالية وتقليل الوزن وتحسين المتانة الهيكلية.

Hexcel

(HXL )

Hexcel معترف بها كواحدة من أبرز مصنعي المواد المركبة. المنتج الرئيسي للشركة هو تصنيع النوع الشبكي الذي يُستخدم في الغالب في تطبيقات الطيران. توفر هيكلة النوع الشبكي وزنًا مخفضًا مع متانة مثالية.

يمكن لشركة Hexcel أن تستفيد بسهولة من دمج الخياطة النانوية عبر قطاعاتها المتعددة. الشركة تقدم بالفعل تعزيز الألياف الكربونية وأنظمة الراتنج. سوف توفر المنتجات المخيطة النانوية لها حافة تنافسية.

الخياطة النانوية يمكن أن تزوّد البعثة القادمة إلى القمر

استخدام الخياطة النانوية لتحسين المواد المركبة الحالية والمستقبلية يمكن أن يساعد في تطوير المركبات الفضائية الجيل التالي اللازمة للوصول إلى عوالم أخرى. حاليًا، هناك العديد من الحالات التي يمكن تطبيقها على الأرض تجعل الخياطة النانوية تطورًا مثيرًا للاهتمام.

يمكنك معرفة المزيد عن مشاريع التصنيع الرائعة هنا.