من الطرق إلى السماء – يمكن أن يفتح “التخييط النانوي” موجة من المركبات الجيل التالي

A دراسة نشرت في المجلة العلمية ACS Applied Materials (AMAT ) and Interfaces تقدم طريقة مبتكرة لربط المواد المركبة تُسمى التخييط النانوي. تجمع هذه العملية بين طبقات ألياف الكربون الرقيقة لتخلق رابطًا يشبه الفيلكرو بين الطبقات. النتيجة مادة أكثر متانة وخفة وزن يمكنها تحمل البيئات القاسية. إليك ما تحتاج إلى معرفته حول التخييط النانوي وكيف يمكن أن يغيّر العالم الذي تعيش فيه.

ما هو التخييط النانوي؟

التخييط النانوي هو عملية ربط طبقات المواد المركبة معًا باستخدام أنابيب كربونية عمودية النمو مخبرية. تُصنع هذه الأنابيب المجوفة عبر عملية ترسيب كيميائي بخاري خاصة. يتفاعل هذا البخار مع محفزات أخرى أثناء عملية الخبز.
يسقط الكربون على السطح على شكل غابة دقيقة من الأنابيب النانوية. يمكن لهذه الأنابيب الدقيقة أن تُنتج مليارات الروابط عندما تُوضع بين طبقات ألياف الكربون الرقيقة. هذه الطبقات الرقيقة لا يزيد عرضها عن حوالي 50 ميكرومتر. هذا السماكة تعادل ثلث شعرة للمقارنة.

تربط الغابة الرقيقة نفسها مثل الفيلكرو لتُنشئ اتصالًا موحدًا ومتينًا. يمكن لهذه القوة الإضافية أن يكون لها تأثيرات عبر صناعات متعددة. وبالتالي، أي صناعة تستخدم المواد المركبة يمكن أن تستفيد من هذه التقنية وتستغلها للحفاظ على السلامة الهيكلية.

المشكلات التي يساعد التخييط النانوي على حلها

هناك العديد من المشكلات التي يمكن للتخييط النانوي أن يخفف منها. على سبيل المثال، غالبًا ما تحتوي المواد المركبة على شقوق دقيقة داخل طبقاتها يصعب اكتشافها. يمكن لهذه الشقوق أن تتوسع فجأة وتسبب انفصال أو تحطم الطبقات.
يستبدل التخييط النانوي طريقة اللصق الحالية لربط الطبقات معًا. وبما أنه يحتوي على عدد هائل من نقاط الاتصال المتساوية، فإن التمزقات والتمزقات والشقوق لا تنتشر بسهولة كما هو الحال مع طبقة من الغراء الجاف. وبالتالي، يمكن للتخييط النانوي أن يكون له تأثير كبير على متانة ووزن المواد المركبة المستقبلية.

التفكك الطبقي

التفكك الطبقي هو مصطلح يشير إلى احتمال انفصال طبقات المواد المركبة. يُعد التفكك الطبقي مصدر قلق كبير عندما تكون هناك مواد متعددة متصلة عبر مواد لاصقة. كل طبقة تضيف فرصة إضافية لحدوث التفكك في العملية الحالية. يوفر التخييط النانوي حلاً أكثر صلابة ومتانة للمصنعين.

صعوبة الفحص

قد يكون من الصعب اكتشاف الضرر الداخلي للمواد المركبة. كل طبقة تضيف تعقيدًا إضافيًا للعملية. بالإضافة إلى ذلك، قد يتفاعل مركب واحد بشكل مختلف عن الطبقات الأخرى تحت ظروف مختلفة. عندما يحدث ذلك، قد لا تظهر أي علامات خارجية.

تضيف الأنابيب النانوية قوة بين الطبقات عبر مليارات نقاط الاتصال. يمكن أن تساعد هذه العملية في تقليل الحاجة إلى اكتشاف هذه الشقوق لأنها لن تنتشر أو تفشل بشكل كارثي. يمكن تحديدها وإصلاحها بأمان باستخدام التخييط النانوي لإجراء أي تصليحات.

الضعف الهيكلي

كل هيكل يحتوي على نقاط أضعف من غيرها. يرى المهندسون التخييط النانوي كطريقة مثالية لتعزيز النقاط الرئيسية في تصاميمهم. تخيل مادة مركبة مخيطة نانويًا تُستخدم حول البراغي أو مناطق الأحمال الثقيلة. قد تجعل هذه الدعامة الخفيفة الوزن المباني أكثر أمانًا في المستقبل.

عمليات التصنيع

الطريقة الحالية لربط طبقات المواد المركبة غير فعّالة. إن إلغاء استخدام المواد اللاصقة وربط هذه الطبقات على المستوى الجزيئي يُعد خيارًا أفضل يوفّر نتائج موثوقة. بالإضافة إلى ذلك، العملية أسهل في التنفيذ مقارنةً باستخدام المواد اللاصقة لربط الطبقات.

مهندسو MIT

كان مهندسو MIT وراء هذا المشروع المميز. شمل الفريق كارولينا فورتادو، ريد كوب، شينتشين ني، كارلوس سارادو، إستل كالفون-كوهين، وبيدرو كامنهو. قاد المشروع الأستاذ في مجال الطيران والفضاء بريان وردل. ومن الجدير بالذكر أن وردل هو مدير مختبر Necstlab المتخصص في المواد المركبة.

الاختبار

يتعمق البحث في تفاصيل عملية الاختبار والنتائج. قاد مرحلة الاختبار كارولينا فورتادو. فورتادو خبيرة في المجال وساعدت في إنشاء نماذج متقدمة لتقليل التشققات.
أُجري الاختبار على مادة مركبة متقدمة بسمك لا يتجاوز 3 ملليمترات. وبشكل مثير للإعجاب، قام الباحثون بدمج 60 طبقة من صفائح البوليمر باستخدام التخييط النانوي لاختبار مقاومة التشققات.
بدأ الاختبار الأول بإنشاء مهندسين شقًا عند التقاء الطبقات على الحافة. ثم قيَّموا المقاومة ونقاط الانكسار. اختبر اختبار التفكك الطبقي صمود الرابطة بين الطبقات. وجدوا أن الشقوق لم تنتشر وأن الطبقة ظلت مشدودة بإحكام.

التطبيقات المحتملة للتخييط النانوي

هناك العديد من سيناريوهات الاستخدام التي يمكن أن يحدث فيها التخييط النانوي تأثيرًا فوريًا. يستمر عدد الصناعات والمنتجات التي تستخدم المواد المركبة في التوسع. وبالتالي، هناك طلب على خيارات أخف وزنًا وأكثر صلابة. إليك بعض الصناعات التي قد يغيّرها التخييط النانوي قريبًا.

الفضاء الجوي

تستفيد صناعة الفضاء الجوي كثيرًا من تحسين المواد المركبة. أصبحت هذه المواد واحدة من أهم الطرق التي يستخدمها المصنعون لتقليل الوزن وتحسين المتانة. بعض المركبات يمكنها عكس موجات الرادار وغيرها.

سيمكن التخييط النانوي المصنعين من إنشاء هياكل فضائية ذات قيمة عالية. ستكون طائرات المستقبل أخف وزنًا وتعمل بمحركات متقدمة. سيستفيدون من أقوى وأخف المواد لتحسين عمر البطارية والمتانة.

العمارة.

يفتح التخييط النانوي الباب أمام مبانٍ وبنية تحتية أفضل. تخيل منازل مطبوعة ثلاثية الأبعاد يمكنها الصمود أمام الطقس القاسي. يمكن لاستخدام المواد المركبة في بناء هياكل متقدمة مثل الجسور أن يجعل السفر أكثر أمانًا للجميع.

السيارات.

السيارات الكهربائية موجودة الآن لكن أحد أكبر عيوبها هو عمر البطارية. إن تقليل وزنها سيساعد على إطالة عمر البطارية وجعل السيارات الكهربائية أكثر جاذبية للمزيد من العملاء. بالفعل، شركات مثل TESLA تدمج المواد المركبة للمساعدة في تحسين المتانة وتحسين عمليات التصنيع.

إنتاج الطاقة وتخزينها

سيجعل التخييط النانوي توليد الطاقة أكثر كفاءة. تخيل توربينات رياح أو ألواح شمسية خفيفة الوزن يمكنها تحمل المزيد من الضرر قبل الفشل. ستكون أسهل في التركيب ويمكنها تحمل حمل أكبر من النماذج الحالية، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة والتوافر.

الهندسة البحرية

استكشاف أعماق البحر هو صناعة أخرى عملت طويلاً مع المواد المركبة لتصميم أكثر الكفاءات تحت الماء. يمكن للتخييط النانوي أن يساعد البشر على الغوص أعمق من أي وقت مضى من خلال تمكين المهندسين من صنع هياكل تحت الماء تتحمل الضغط الهائل في أعماق المحيط.

الروبوتات

تسعى صناعة الروبوتات دائمًا إلى أخف وأقوى المواد. يمكن أن تجعل دمج المركبات المخيطة نانويًا الروبوتات أخف وزنًا وتستطيع السفر لمسافات أطول. كما يمكن أن يساعد الروبوتات المتقدمة على أن تصبح أكثر قابلية للنقل ومتاحة للسوق العالمية.

قد يشهد مجال الروبوتات الحيوية-الهجينة دفعة من هذه المركبات الخفيفة الوزن. تستفيد هذه الروبوتات من المواد العضوية المدمجة مع مكونات خفيفة الوزن وغالبًا ما تكون دقيقة. سيقدم التخييط النانوي طريقة متينة لربط مكونات الروبوت الصغيرة.

الشركات التي قد تستفيد من التخييط النانوي

يمكن للعديد من الشركات زيادة إيراداتها وتحسين منتجاتها بفضل التخييط النانوي. تمتد هذه الشركات عبر صناعات من الرعاية الصحية إلى التطبيقات العسكرية. إليك بعض الشركات التي قد تشهد دفعة فورية إذا دمجت التخييط النانوي في نماذج أعمالها.

Owens Corning

OC مخطط السعر

Owens Corning (OC ) هي أكبر شركة مصنّعة لمركبات الألياف الزجاجية في العالم. تأسست هذه الشركة التي تتخذ من أوهايو مقرًا لها عام 1935 وأصبحت عامة عام 1955. في عام 1985، وسعت الشركة موقعها السوقي بعد استحواذها على مجموعة Aerospace and Strategic Metals. اليوم، تمتلك Owens Corning أكثر من 30 منشأة لإنتاج المركبات.

يمكن لـ Owens Corning استخدام التخييط النانوي لتعزيز دخولها إلى سوق الفضاء الجوي. يمكنها توفير مكونات أكثر صلابة وتعزيز موقعها. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها مواصلة البحث حول المواد التي يثبتها التخييط النانوي بإحكام.

Teijin Limited

Teijin Limited هي شركة يابانية متخصصة في تصنيع المركبات، والراتنجات، والبلاستيك، والألياف. تعمل الشركة منذ عام 1918 ولا تزال رائدة في سوق المركبات. حاليًا، توظف الشركة أكثر من 20 ألف موظف عبر 20 دولة.

يُعد التخييط النانوي خيارًا منطقيًا لشركة Teijin لأنه سيحسن العديد من منتجاتها. يمكن للشركة دمج هذا النوع من ربط المركبات في عدة منتجات تقدمها حاليًا لتقليل الوزن وتحسين السلامة الهيكلية.

Hexcel

HXL مخطط السعر

تُعَد Hexcel واحدة من الشركات الرائدة في تصنيع المواد المركبة. المنتج الرئيسي للشركة هو تصنيع الخلايا السداسية التي تُستخدم أساسًا في تطبيقات الفضاء الجوي. توفر بنية الخلايا السداسية وزنًا منخفضًا مع متانة مثالية.

يمكن لـ Hexcel الاستفادة بسهولة من دمج التخييط النانوي عبر قطاعاتها المتعددة. تقدم الشركة بالفعل تعزيزًا بألياف الكربون وأنظمة الراتنج. ستمنح المنتجات المخيطة نانويًا لها ميزة تنافسية.

يمكن للتخييط النانوي أن يزود مهمة القمر القادمة بالطاقة

يمكن لاستخدام التخييط النانوي لتحسين المركبات الحالية والمستقبلية أن يساعد المهندسين على تطوير مركبة فضائية من الجيل التالي اللازمة للوصول إلى عوالم أخرى. في الوقت الحالي، هناك العديد من حالات الاستخدام على الأرض تجعل التخييط النانوي تطورًا مثيرًا للاهتمام.

يمكنك معرفة المزيد عن مشاريع التصنيع الرائعة هنا.